“電力拖動自動控制系統(tǒng)”中的仿真教學(xué)

張敬南

(哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

我?！半娏ν蟿幼詣涌刂葡到y(tǒng)”課程是通過對電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)控制技術(shù)的講授,使學(xué)生掌握電力拖動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、數(shù)學(xué)模型、參數(shù)設(shè)計以及不同干擾對控制系統(tǒng)的影響和控制系統(tǒng)在不同工況之間轉(zhuǎn)換的過渡過程等知識。傳統(tǒng)的教學(xué)一般只能從理論上進(jìn)行分析,難以使用實驗手段讓學(xué)生獲得感性認(rèn)識,而在有限的實驗學(xué)時的限制下,學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)上難以了解到各種因素變化給控制系統(tǒng)帶來的具體影響。同時,真實的實驗環(huán)境下,也很難實現(xiàn)各種錯誤設(shè)計和故障情況對控制系統(tǒng)影響的過程。由于仿真技術(shù)投資少,可以在極端條件下運(yùn)行,為電力拖動控制系統(tǒng)的教學(xué)提供了有力的支持。

筆者從教學(xué)實踐出發(fā),將仿真技術(shù)引入到本科教學(xué)中,通過仿真教學(xué)案例探討了在電力拖動自動控制系統(tǒng)教學(xué)過程中采用仿真教學(xué)的可行性和注意事項[1,2]。

1 仿真軟件選擇

選擇適合仿真教學(xué)的仿真軟件非常重要。Matlab的Simulink工具箱是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算機(jī)仿真的工具[3]。目前,在國內(nèi)外高校中,利用Matlab實現(xiàn)仿真已經(jīng)成為學(xué)生必須掌握的基本技能。在設(shè)計研究單位和工業(yè)部門,Matlab已經(jīng)成為研究和解決各種具體工程問題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件。我校本科教學(xué)開設(shè)了相關(guān)Matlab軟件的選修課程。

2 仿真教學(xué)案例

在教學(xué)過程中,可結(jié)合仿真分析不同情況下的控制系統(tǒng)所獲得的運(yùn)行效果。作為一個教學(xué)案例,在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下完成構(gòu)建晶閘管供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真程序[4]。

系統(tǒng)參數(shù)為教材[5]例題所提供的參數(shù)。即直流電動機(jī)性能數(shù)據(jù)為:220V,136A,1460r/min,Ce=0.132Vmin/r,允許過載倍數(shù)λ=1.5。整流裝置采用三相橋式電路,晶閘管裝置放大系數(shù)40。電樞回路總電阻0.5Ψ。時間常數(shù)Tl=0.03s,Tm=0.18s。電流反饋系數(shù)β=0.05V/A,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為α=0.007Vmin/r。電流環(huán)濾波時間常數(shù)0.002s;轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)0.01s。通過工程設(shè)計法設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù),電流調(diào)節(jié)器為

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為

2.1 整流裝置輸出電壓與額定負(fù)載轉(zhuǎn)速

完成轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)基本原理的講授之后,可以布置給學(xué)生一個思考問題:某轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在設(shè)計時限制整流裝置輸出電壓不超過電動機(jī)的額定電壓,若額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行時突加額定負(fù)載,該系統(tǒng)能否回到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行?通過仿真獲得轉(zhuǎn)速變化曲線如圖1所示,其中0.5s時起動電動機(jī),2s時突加額定負(fù)載。從圖1虛線可見轉(zhuǎn)速顯然沒有回到額定轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。

圖1 整流裝置輸出電壓對額定負(fù)載轉(zhuǎn)速的影響

我們引導(dǎo)學(xué)生分析如下原因:由于整流裝置設(shè)計的輸出電壓不超過電動機(jī)的額定電壓,而主電路中還包括平波電抗器電阻,額定負(fù)載時使得電動機(jī)獲得電壓小于額定電壓,系統(tǒng)不能回到額定轉(zhuǎn)速。

在整流裝置輸出電壓考慮平波電抗器電阻壓降的影響后再次進(jìn)行仿真,則系統(tǒng)能夠回到額定轉(zhuǎn)速,如圖1中實線所示,驗證了分析的正確性。

2.2 調(diào)節(jié)器限幅的設(shè)置

講授PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計時,設(shè)計調(diào)節(jié)器的限幅是非常重要的。教學(xué)時可以通過仿真引導(dǎo)學(xué)生分析為什么要設(shè)置調(diào)節(jié)器限幅。具體辦法是采用相同的電力拖動自動控制系統(tǒng)進(jìn)行理想空載起動的仿真。調(diào)節(jié)器在有和沒有限幅兩種情況下的電流曲線如圖2所示。

圖2 整流裝置輸出電壓對額定負(fù)載轉(zhuǎn)速的影響

與設(shè)置調(diào)節(jié)器限幅的系統(tǒng)相比,沒有設(shè)置調(diào)節(jié)器限幅時,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在突加額定負(fù)載瞬間,輸出的電流很高,已經(jīng)超過了實際允許值。所以從仿真中很直觀的看出限幅起到了限制最大值的保護(hù)作用。

如果調(diào)節(jié)器采用位置式調(diào)節(jié)器,則需要分別設(shè)置積分限幅和輸出限幅。在此可以引導(dǎo)學(xué)生思考如果只設(shè)置了輸出限幅,而沒有設(shè)置積分限幅會引起什么后果。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)器內(nèi)限幅設(shè)置的影響

由仿真曲線可見,轉(zhuǎn)速超調(diào)后,有積分限幅的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速很快降低,調(diào)整給定轉(zhuǎn)速;但是沒有設(shè)置積分限幅的時候,轉(zhuǎn)速超調(diào)后卻沒有及時的出現(xiàn)下降情況。原因在于調(diào)節(jié)器退飽和時,積分項仍然很大,產(chǎn)生了較大的退飽和超調(diào)。

2.3 反饋線斷線的影響

在系統(tǒng)的實際操作中,可能會出現(xiàn)反饋線突然斷線的情況,在教學(xué)中也可以通過仿真觀測這種情況發(fā)生時產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)仍然以轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例,兩個調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。仿真研究當(dāng)系統(tǒng)帶額定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時,轉(zhuǎn)速反饋線突然斷線后轉(zhuǎn)速、電樞電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器輸出變化的情況。仿真曲線如圖4所示。

圖4 反饋線斷線時系統(tǒng)仿真

由仿真曲線可見,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和、電流調(diào)節(jié)器ACR飽和;最大電壓給定下的開環(huán)直流拖動系統(tǒng),電樞電流等于負(fù)載電流,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

3 教學(xué)改革的效果

3.1 對教學(xué)的輔助作用

通過仿真教學(xué)平臺,學(xué)生可以直觀看到參數(shù)的改變對實驗現(xiàn)象的影響,還可以自行設(shè)計實驗系統(tǒng)。

在實驗教學(xué)方面,我校本科教學(xué)采用的實驗裝置為小功率的電機(jī)。學(xué)生缺乏大功率工業(yè)電機(jī)實驗環(huán)境和條件,對那種大功率、高電壓和大電流電機(jī)的實際認(rèn)識。有了仿真教學(xué)的輔助,可以針對大功率電機(jī)的控制和運(yùn)行進(jìn)行仿真試驗,且不必?fù)?dān)心安全問題。

3.2 教學(xué)實踐效果分析

應(yīng)用仿真軟件平臺進(jìn)行輔助教學(xué)在我院05級和06級電氣工程及其自動化專業(yè)“電力拖動自動控制系統(tǒng)”的教學(xué)中進(jìn)行了實踐,獲得了學(xué)生的好評。

學(xué)生通過仿真,加深了對系統(tǒng)的熟悉程度,硬件實驗平臺使用時,知道如何使用裝置和如何調(diào)節(jié)。

通過仿真教學(xué)過程,學(xué)生熟悉和掌握了一種仿真工具,對于后續(xù)學(xué)習(xí)研究中接觸到的先進(jìn)控制理論(如神經(jīng)控制和模糊控制等),有了很好的仿真驗證手段。而且,學(xué)生針對復(fù)雜問題中不同參數(shù)或某一對象變化對系統(tǒng)的影響,以及不同參數(shù)間相互作用的關(guān)系的研究能力也有所提高。

3.3 引入仿真教學(xué)的注意事項

授課教師應(yīng)避免將專業(yè)課講成仿真課,仿真只是在某些關(guān)鍵或抽象問題上作為輔助教學(xué)手段。

仿真教學(xué)中選擇仿真軟件非常重要。在以往的教學(xué)中,筆者曾引導(dǎo)學(xué)生采用C語言進(jìn)行仿真研究,效果并不理想。從而注意到必須選擇學(xué)生容易學(xué)習(xí)、短時間能夠熟練,并且在以后的專業(yè)實踐中有應(yīng)用價值的仿真軟件。

考慮到學(xué)時限制和學(xué)生初步接觸仿真軟件等實際問題,仿真模型的搭建要力求簡單實用。仿真初期不建議采用諸如Simulink中電力系統(tǒng)模塊庫中所提供的元器件模塊搭建系統(tǒng)。

筆者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)課程的特點,把仿真教學(xué)安放在三個環(huán)節(jié)中:①將仿真分析引入到課堂教學(xué)過程中,提升理論教學(xué)過程的吸引力和教學(xué)效果;②布置學(xué)生構(gòu)建典型系統(tǒng)的仿真程序,研究系統(tǒng)特性,并開設(shè)討論課進(jìn)行交流探討,提高學(xué)生研究和創(chuàng)新能力;③利用仿真程序預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容,確保有限的實驗時間里獲得更好的實驗效果。

4 結(jié)語

我們在“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)過程中,通過引入直觀的仿真教學(xué),加深了學(xué)生對電力拖動自動控制系統(tǒng)的認(rèn)識,對抽象難懂的專業(yè)理論分析有了深刻的理解,不僅驗證了書本上的結(jié)論,還使學(xué)生掌握了參數(shù)或環(huán)節(jié)變化對控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。另外,學(xué)生能夠進(jìn)行更復(fù)雜的系統(tǒng)分析,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還可以改變該課程在以往的教學(xué)中面臨脫離實際的困境。通過教學(xué)實踐證明,教學(xué)過程中引入仿真教學(xué)手段獲得了較好的教學(xué)效果,對于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實踐動手能力都有很大的幫助。

[1] 孫靜,周元鈞,張磊.基于 Matlab的電力系統(tǒng)仿真平臺[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2009,31(4):57-59

[2] 王云嶺,高建樹.仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].天津:電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2004,16(2):77-79

[3] 薛定宇,陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:1-7

[4] 洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.1:163-169

[5] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.1:79-83