仿真技術(shù)在電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

盧衛(wèi)娜，陳秀敏，馬玉泉，宋冬冬，張麗紅

（河北科技師范學(xué)院，河北 秦皇島 066600）

仿真技術(shù)在電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

盧衛(wèi)娜，陳秀敏，馬玉泉，宋冬冬，張麗紅

（河北科技師范學(xué)院，河北 秦皇島 066600）

將計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)應(yīng)用于電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了基于Matlab/Simulink仿真的電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并詳細(xì)介紹Matlab仿真過(guò)程和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)案例。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案將虛擬實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，形成了完整的新型教學(xué)體系，改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降木窒夼c不足。

電力拖動(dòng)；Matlab/Simulink仿真；實(shí)驗(yàn)；雙閉環(huán)調(diào)速

傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是以教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程、部分學(xué)生按既定步驟接線、得出事先已經(jīng)確定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主線開(kāi)展和進(jìn)行。這種教學(xué)模式以體積大、數(shù)量少的電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備為依托，學(xué)生圍觀聽(tīng)課的形式居多，參與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)較少；參與的學(xué)生對(duì)系統(tǒng)不夠熟悉，由于時(shí)間限制，不能夠完成實(shí)驗(yàn)接線，往往走馬觀花，得不到很好的實(shí)驗(yàn)效果。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給高校的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)帶來(lái)了新的方法。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合了先進(jìn)的教學(xué)思想和現(xiàn)代化教學(xué)手段，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)過(guò)程套化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分散等問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合分析能力。

為此，我們重新對(duì)電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行分析，將虛擬實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合［1］，設(shè)計(jì)了具有開(kāi)放性、創(chuàng)新性和綜合性的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)。充分融合了課堂理論教學(xué)、課下作業(yè)、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作的授課環(huán)節(jié)，將原本各自孤立的學(xué)習(xí)過(guò)程很好地統(tǒng)一、結(jié)合起來(lái)，成為完整的教學(xué)體系。

1 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方案設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，要求學(xué)生在老師指導(dǎo)下，分成實(shí)驗(yàn)小組，然后按下列步驟完成實(shí)驗(yàn)：（1）教師預(yù)先在理論課上講授系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法、布置具體的設(shè)計(jì)任務(wù)作為課下作業(yè)，學(xué)生在完成作業(yè)的同時(shí)，根據(jù)作業(yè)的設(shè)計(jì)任務(wù)和結(jié)果，制訂實(shí)驗(yàn)預(yù)案，從而起到了對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)鋪墊的作用。（2）學(xué)生在教師或?qū)嶒?yàn)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。將上一步的設(shè)計(jì)結(jié)果用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和運(yùn)行特點(diǎn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。（3）將仿真實(shí)驗(yàn)的虛擬系統(tǒng)在硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)，通過(guò)具體的裝置接線和調(diào)試，觀察電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和性能指標(biāo)。（4）完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和各環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或圖片。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生加深對(duì)系統(tǒng)的熟悉程度，從而加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，確保有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間里獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。

在教學(xué)過(guò)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。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以包括；MATLAB軟件和SIMULINK仿真環(huán)境認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)；轉(zhuǎn)速反饋控制（單閉環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)仿真；轉(zhuǎn)速、電流反饋控制（雙閉環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真；異步電動(dòng)機(jī)的仿真；交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真；直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真。在此，我們僅以雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速/電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)為例，介紹具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)例分析

2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)案例，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速的反饋控制。例如，某一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組采用晶閘管供電直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，系統(tǒng)參數(shù)如下：

直流 電 動(dòng) 機(jī)：220V，136A，1460r/min，Ce＝0.132Vmin/r，允許過(guò)載倍數(shù)λ＝1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks＝40；電樞回路總電阻：R＝0.5Ω；時(shí)間常數(shù)：Ti＝0.03s，Tm＝0.18s；電流反饋系數(shù)：β＝0.05V/A（≈10V/1.5IN）；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α＝0.007Vmin/r（≈10V/nN）。

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 電流環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）建立如圖2所示的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。

給定信號(hào)U＊i＝10V，故設(shè)置step模塊的終值（Final value）為10，飽和非線性模塊（Saturation）的其飽和上界（Upper limit）和下屆（Lower limit）參數(shù)分別設(shè)置為限幅值＋10和-10。

圖2 電流環(huán)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）選中Simulink模型窗口的Simulation→Configuration Parameters菜單項(xiàng)，設(shè)置仿真過(guò)程的開(kāi)始時(shí)間和停止時(shí)間。一般地，Simulation time選擇Start time為0，Stop time可以根據(jù)實(shí)際需要而定，一般只要能夠仿真出完整的波形即可。本仿真中Sart time和Stop time欄目分別填寫(xiě)為0.0s和0.05s，所選擇的算法為ode45。

（4）調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整。令KT＝0.25，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.5067＋，Ki＝1.013，τi＝0.03s；令KT＝1.0，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2.027＋，Ki＝2.027，τi＝0.03s。觀察各組參數(shù)下的響應(yīng)曲線。選出一組控制效果最佳的曲線參數(shù)，作為下一步轉(zhuǎn)速環(huán)仿真中的電流調(diào)節(jié)器ACR。scale）調(diào)整示波器模塊所顯示的曲線。

2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）建立如圖3所示的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。

（2）仿真模型從Signal Routing組中選用了Mux模塊來(lái)把幾個(gè)輸入聚合成一個(gè)向量輸出給Scope，以便在示波器模塊中反映出轉(zhuǎn)速、電流的關(guān)系。

（3）根據(jù)初步的設(shè)計(jì)結(jié)果，PI調(diào)節(jié)器采用傳遞函數(shù)為11.7＋，K＝11.7，τ＝0.087s。nn

（4）雙擊階躍輸入Step模塊把階躍值設(shè)置為10，觀察空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流的響應(yīng)曲線。

（5）把負(fù)載電流IdL（Step1模塊）設(shè)置為136，滿載啟動(dòng)，觀察其轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線。

（6）對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾過(guò)程進(jìn)行仿真，當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)后再將負(fù)載電流IdL（s）的輸入端加上負(fù)載電流，觀察空載運(yùn)行中受額定電流擾動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線。

圖3 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電流環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)在三組參數(shù)下產(chǎn)生的電流響應(yīng)曲線如圖4所示。在直流電動(dòng)機(jī)的恒流升速階段，三組電流的穩(wěn)態(tài)值均低于λIN＝200A，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)，它是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，所以系統(tǒng)做不到無(wú)靜差，而是Id略低于Idm。通過(guò)比較得出，（a）圖響應(yīng)無(wú)超調(diào)，但上升時(shí)間長(zhǎng)；（b）圖響應(yīng)略有超調(diào)，上升時(shí)間不太長(zhǎng)；（c）圖響應(yīng)上升時(shí)間簡(jiǎn)短，但超調(diào)量大，已經(jīng)出現(xiàn)震蕩。所以，當(dāng)KT＝0.5，即Ki＝1.013，τi＝0.03s時(shí)，控制電流的效果最好。

圖4 電流環(huán)仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)速環(huán)仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用下，使得轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速上，轉(zhuǎn)速值為額定轉(zhuǎn)速1460r/min，屬于無(wú)靜差調(diào)速。此外，無(wú)論電機(jī)是空載起動(dòng)還是滿載起動(dòng)，都經(jīng)歷了電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)這三個(gè)階段，每個(gè)階段轉(zhuǎn)速和電流的變化特點(diǎn)與理論分析的結(jié)果完全一致。需要注意的是，第I階段的電流上升時(shí)間非常短暫，圖中未能清晰顯示，經(jīng)圖形放大后可以讀出空載起動(dòng)時(shí)t1＝0.01s.，滿載啟動(dòng)時(shí)t1＝0.02s?？芍蛰d起動(dòng)所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于滿載啟動(dòng)的時(shí)間。

利用轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型還可以對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾過(guò)程進(jìn)行仿真，它是在空載運(yùn)行過(guò)程中輸入負(fù)載電流IdL。圖6是轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾仿真結(jié)果，包括轉(zhuǎn)速和電流的響應(yīng)曲線。在t＝1s時(shí)刻加入負(fù)載電流IdL擾動(dòng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)約0.2s的調(diào)節(jié)后，又恢復(fù)了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾過(guò)程仿真結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)效果和總結(jié)

在“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)課程中，增加了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。經(jīng)試行后，取得了良好的教學(xué)改進(jìn)效果。首先，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，形成了一種探索、學(xué)習(xí)、研究的活躍氛圍。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和模式的改進(jìn)，將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)加入新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中。學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)變?yōu)橥ㄟ^(guò)思考、設(shè)計(jì)和嘗試來(lái)主動(dòng)獲取知識(shí)，是一種全新的體驗(yàn)。其次，Matlab虛擬仿真使用模塊化的圖形搭構(gòu)，方便且形象化，可視可讀性強(qiáng)，修改起來(lái)也極為方便［4］，新的思路和想法可以立時(shí)通過(guò)虛擬試驗(yàn)加以驗(yàn)證，這對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可以起到很好的促進(jìn)作用。再次，仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行［5］，不需要大量的儀器和設(shè)備，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足。將虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，學(xué)生在理論分析和實(shí)際動(dòng)手能力兩方面都得到提高。

同時(shí)，新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄⒗碚撌谡n、課下作業(yè)和學(xué)生實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，形成統(tǒng)一的教學(xué)體系，不僅鞏固了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解，而且使學(xué)生掌握了一種工程設(shè)計(jì)方法和重要的應(yīng)用工具，充分提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，其重要意義不容忽視。

［1］木合亞提·伊克山.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)的改革［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（12）：67-69.

［2］孫亮.MATLAB語(yǔ)言與控制系統(tǒng)仿真［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.3版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］洪乃剛.虛擬實(shí)驗(yàn)在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2004（3）：21-24.

［5］顧春雷，陳中.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)與MATLAB仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

Application of Simulation Technology in Electric
Drive Experiment Teaching

LU Wei-na，CHEN Xiu-min，MA Yu-quan，SONG Dong-dong，ZHANG Li-hong
（Hebei Normal University of Science and Technology，Hebei QinhuangdaO066600）

The computer simulation technology is used in the experiments of electric drive automatic control system.A design of experiment teaching based on Matlab/Simulink simulation is presented.The Matlab simulation process and experiment case for the engineering design of double closed loop speed regulation system are both introduced in detail.The experiment plan combines virtual experiment and physical experiment together，and forms a complete new teaching system.Thus，the limitation and shortage of traditional experimental mode are greatly improved.

electric drive；matlab/Simulink simulation；experiment；double closed loop speed regulation

TM921

A

1007-2934（2011）06-0055-04

2011-08-17

＊通訊聯(lián)系人