胡學芝

(湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院,湖北 黃石 435003)

基于Matlab的電氣傳動控制系統(tǒng)課程教學研究

胡學芝

(湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院,湖北 黃石 435003)

Matlab 具有強大的數(shù)學運算功能，而其仿真工具Simulink具有模塊化、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等優(yōu)點，因而Matlab在工程系統(tǒng)仿真中得到了廣泛的應(yīng)用。分別以直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)中的DTC系統(tǒng)為例，討論了如何將Matlab/Simulink仿真應(yīng)用于“電氣傳動控制系統(tǒng)”課程教學中，提出了一種將理論教學和仿真實驗相結(jié)合的教學模式，通過在課程教學中應(yīng)用和實施該教學模式，取得了良好的教學效果。

Matlab；仿真；教學模式；DTC；電氣傳動控制系統(tǒng)

0 引言

“電氣傳動控制系統(tǒng)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門主干專業(yè)課，它的主要內(nèi)容包括直流調(diào)速和交流調(diào)速2個部分，同時它綜合了電機學、電力電子技術(shù)、自動控制理論、計算機控制技術(shù)和微電子技術(shù)等多門學科知識，該課程具有知識面寬、理論抽象、與工程實踐結(jié)合緊等特點[1]，且具有一定的難度和深度，學生學習時難以及時理解和掌握。建立系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型并展開分析是本課程的重要教學環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)教學模式不能直觀展現(xiàn)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，學生學習興趣不濃，學習效率低。為了提高教學質(zhì)量并改善教學效果，本文提出了一種基于Matlab的將課堂教學、仿真實驗和課程設(shè)計融為一體的交互式教學模式。該教學模式將課程的理論知識與系統(tǒng)設(shè)計及工程應(yīng)用有效地結(jié)合起來，使學生在學習中能夠清楚地看到系統(tǒng)控制模型及參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響，同時也讓學生掌握了系統(tǒng)的建模方法及要點，它將理論教學、仿真實踐及系統(tǒng)設(shè)計與分析結(jié)合在一起，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學習效率。

Matlab下的Simulink 工具是對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模和仿真的平臺，它既提供基于控制系統(tǒng)模塊庫的面向傳遞函數(shù)的建模仿真方法，又提供了基于SimPower System 工具箱的面向控制系統(tǒng)電氣原理圖的建模仿真方法。這2種方法都是使用系統(tǒng)模型框圖進行組態(tài)的仿真平臺，用戶可以用圖形化的方法直接建立系統(tǒng)仿真模型，并通過Simulink環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時將結(jié)果在示波器上顯示出來[2]。本文為介紹上述2種仿真方法，在直流調(diào)速系統(tǒng)實例中應(yīng)用面向傳遞函數(shù)的建模仿真方法，而DTC系統(tǒng)應(yīng)用面向控制系統(tǒng)原理圖的方法進行仿真。

1 基于Matlab的課程教學模式及實施過程

Simulink支持線性與非線性、連續(xù)與離散系統(tǒng)圖形化的建模與仿真。通過Matlab中的Simulink工具箱可以方便地建立系統(tǒng)的構(gòu)圖模型，快速設(shè)置系統(tǒng)控制參數(shù)，并即時通過Simulink中的菜單啟動仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)參數(shù)進行修正和調(diào)整，直到最后得到滿意結(jié)果為止。在課程教學中適時演示，讓學生及時看到參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，能夠增強學生對抽象理論環(huán)節(jié)知識的理解，提高學生的學習效率和學習興趣。電氣傳動控制系統(tǒng)課程教學結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖1可以看出，該課程的教學過程包括以下幾個環(huán)節(jié)。

1)引入課程內(nèi)容并進行理論分析。根據(jù)教學計劃引入課程教學內(nèi)容,建立系統(tǒng)模型并進行理論分析，其中包括建立組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳函及其所涉及調(diào)節(jié)器的模型和參數(shù)設(shè)置，比如在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)分析中分別建立了電機環(huán)節(jié)、電力電子變換環(huán)節(jié)(包括2種變換器)、調(diào)節(jié)器和測速反饋等環(huán)節(jié)的傳函，應(yīng)用控制理論的方法(包括動態(tài)指標和穩(wěn)態(tài)指標的計算方法)分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2)引入Matlab/Simulink仿真并與理論分析結(jié)果進行比較。在引入典型系統(tǒng)時先進行理論分析，再及時完成仿真實驗并驗證結(jié)果。仿真過程分為2個步驟：①在理論分析過程中講述控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的不同算法時，通過仿真結(jié)果比較各算法的特點以及同一算法不同參數(shù)配合時的不同響應(yīng)結(jié)果，如講調(diào)節(jié)器的PI算法時，對不同Kp和Ki取值時響應(yīng)曲線的變化情況進行仿真分析，重點觀察在最佳PI參數(shù)時的響應(yīng)曲線。②搭建系統(tǒng)子模塊仿真圖，將各子模塊組成完整的系統(tǒng)仿真模型并進行仿真。仿真過程中，當改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)時，可直觀的看到系統(tǒng)響應(yīng)曲線的變化，并驗證與理論分析結(jié)果是否一致，如對雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真時，選用PI電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器并觀察不同參數(shù)設(shè)置時系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速波形，分析和對比在非最佳參數(shù)設(shè)置和最佳參數(shù)設(shè)置時啟動過程的電流、轉(zhuǎn)速的超調(diào)量和系統(tǒng)動態(tài)過程調(diào)節(jié)時間，使學生理解啟動過程的3個階段及2個調(diào)節(jié)器所處的不同狀態(tài)(飽和與不飽和)。觀察系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及抗干擾指標的不同。

3)實際工程系統(tǒng)的設(shè)計及仿真訓練。人才培養(yǎng)方案中設(shè)有課程設(shè)計，在課程開始時就下達課程設(shè)計任務(wù)書，要求學生完成一個直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和一個交流系統(tǒng)的建模和仿真任務(wù)。進行直流調(diào)速部分的設(shè)計及仿真時分3～4人為一組，每組成員所選方案不能相同，比如可選用可逆的系統(tǒng)和不可逆的系統(tǒng)， SCR-M和PWM-M系統(tǒng)，單閉環(huán)和雙閉環(huán)系統(tǒng)；仿真時所選方案也不能相同，比如可選用面向系統(tǒng)傳遞函數(shù)的仿真方法或選用面向系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖的仿真方法完成仿真驗證；最后要求學生答辯并提交設(shè)計報告。本課程教學通過與Matlab仿真結(jié)合，以及上述環(huán)節(jié)在課程教學中的應(yīng)用和實施，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力，提高了學生學習效率，為下一步完成畢業(yè)設(shè)計和以后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。

2 典型交、直流調(diào)速系統(tǒng)仿真案例及實施

交、直流調(diào)速系統(tǒng)實例有很多。本研究分別選用一個直流調(diào)速系統(tǒng)和一個交流調(diào)速系統(tǒng)中的典型系統(tǒng)進行建模與仿真，并分別應(yīng)用面向傳遞函數(shù)的建模仿真和面向電氣結(jié)構(gòu)圖的建模仿真完成仿真實例。

2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真 選用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行建模與仿真，應(yīng)用面向傳遞函數(shù)的建模與仿真完成仿真實例，該方法具有可視化的特點，其仿真模型即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，參數(shù)可在調(diào)用Continuous模塊庫時直接進行修改[3]。

首先在理論分析中通過工程設(shè)計法建立SCR-M轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對本系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)分別求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。本系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、SCR觸發(fā)整流環(huán)節(jié)、直流電動機(包括平波電抗器)、測速環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器等環(huán)節(jié)組成。利用Simulink中Continuous模塊庫中的傳遞函數(shù)模塊，建立以上環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型并設(shè)置參數(shù)，然后按照系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖將各環(huán)節(jié)有機結(jié)合起來，并進行仿真實驗。仿真過程分為如下2個步驟。

1)對內(nèi)環(huán)-電流環(huán)進行仿真實驗，電流環(huán)仿真模型如圖2所示。飽和非線性模塊(Saturation)的限幅值取為±10，選中Simulink窗口的Simulation→Configuration Parameters菜單項，將開始時間和結(jié)束時間分別設(shè)置為0.0 s和0.05 s，啟動仿真，得出階躍響應(yīng)曲線，從響應(yīng)曲線中可觀察到PI參數(shù)的變化對系統(tǒng)響應(yīng)指標值的影響，如取KT=0.25時，對應(yīng)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.5067+16.89/s，此時系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)，響應(yīng)時間較長，電流環(huán)過阻尼時的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。取KT=0.5時，對應(yīng)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為1.013+33.77/s，此時對應(yīng)于欠阻尼狀態(tài)，并且是典Ⅰ最佳系統(tǒng)，電流環(huán)欠阻尼時的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，此時響應(yīng)曲線超調(diào)小且響應(yīng)快；圖2 和圖4中穩(wěn)態(tài)值較200 A略小點，說明電流調(diào)節(jié)器受電機反電動勢的擾動，系統(tǒng)對階躍擾動是有靜差的。

2)對外環(huán)-轉(zhuǎn)速環(huán)進行仿真，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，基于面向傳遞函數(shù)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。為了在示波器模塊中顯示出轉(zhuǎn)速與電流之間的關(guān)系，在仿真模型的Signal Routing組中選用Mux模塊將幾個輸入變量聚合成1個向量再輸出給Scope，聚合模塊對話框中的Number of inputs設(shè)置為2。根據(jù)工程設(shè)計法中外環(huán)按最佳典Ⅱ系統(tǒng)模型設(shè)置參數(shù)[4-5]，則轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳函為11.7+134.48/s，階躍值取10，根據(jù)系統(tǒng)給定值，負載電流設(shè)置為136 A，額定轉(zhuǎn)速是1500 r/min。啟動仿真，從仿真結(jié)果中可清楚地看到啟動過程的3個階段：電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在額定負載下啟動得到的額定轉(zhuǎn)速波形如圖6所示。系統(tǒng)的抗干擾過程波形如圖7所示，在圖7所示的波形中，由系統(tǒng)空載啟動進入穩(wěn)定狀態(tài)時突加額定負載的響應(yīng)過程，可看出系統(tǒng)對階躍擾動是無靜差的。

在課程教學中，先應(yīng)用工程設(shè)計法設(shè)計建模仿真方案，而工程設(shè)計法是在一定的近似條件下所得到，因此在仿真時可根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計的參數(shù)實時進行修正和調(diào)整，直到最后達到滿意的結(jié)果。

2.2 DTC系統(tǒng)建模與仿真

DTC系統(tǒng)是典型的交流調(diào)速系統(tǒng)，在DTC系統(tǒng)中應(yīng)用面向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的方法進行建模仿真，電動機采用基于αβ坐標系的數(shù)學模型，轉(zhuǎn)速環(huán)采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的上下波動可減小，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器，定子兩相磁鏈分別為：

(1)

式(1)中：σ為電機的漏磁系數(shù)；再經(jīng)過直角坐標到極坐標變換(K/P變換)得到定子磁鏈的幅值和角度；電壓矢量環(huán)節(jié)選用SimuLink中的s函數(shù)編寫[7]，其優(yōu)點是控制思路明確，結(jié)構(gòu)簡潔，DTC系統(tǒng)仿真模型如圖8所示，仿真中用ode23db變步長求解，步長為0.000 02 s。啟動仿真得到仿真曲線，仿真中可根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整參數(shù)，直到與理論結(jié)果一致為止。定子磁鏈的軌跡圖如圖9所示，從圖9中可見，系統(tǒng)啟動時，磁鏈的幅值增長迅速，很快達到了磁鏈給定值，當系統(tǒng)負載變化時，磁鏈波形基本不變，反應(yīng)在圖中就是一個圓。定子三相電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波形如圖10所示，從圖10中可看到，三相電流波形按照三相正弦波的規(guī)律變化，啟動電流比較大，但隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，電流的幅值逐漸減小，并隨著轉(zhuǎn)速一起達到穩(wěn)定狀態(tài)。

由仿真結(jié)果來看，采用本控制策略進行直接轉(zhuǎn)矩仿真，所得到的系統(tǒng)動靜態(tài)特性都很優(yōu)良，與理論分析結(jié)果吻合?？梢姂?yīng)用面向?qū)ο笤韴D的仿真方法同樣可以很方便地進行仿真實驗，并在仿真中可以很方便地調(diào)整參數(shù)，適合應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真實驗[8]。

3 結(jié)束語

基于Matlab的電氣傳動控制系統(tǒng)課程教學，將Matlab/Simulink仿真應(yīng)用于課程教學中，并通過典型實例說明了其應(yīng)用過程。將Matlab/Simulink用于課程教學，使課堂教學變得生動、直觀，改變了傳統(tǒng)教學過程中學生的被動學習狀態(tài)，提高了學生對該課程的學習興趣。在教學過程中，有效地將理論教學、實驗教學和課程設(shè)計融為一體，通過對仿真結(jié)果進行分析，加深了學生對理論知識的理解[9]，增強了師生互動，提高了學習效率，通過仿真實驗的實施也使學生的理論分析能力，實踐能力和創(chuàng)新能力得到了提高，為以后完成畢業(yè)設(shè)計和工程實踐打下了良好的基礎(chǔ)。通過在近4屆學生的課程教學中應(yīng)用和實施新教學模式，取得了良好的教學效果，體現(xiàn)了其優(yōu)勢，可推廣到其他課程教學中。

[1] 洪乃剛.電力拖動自動控制系統(tǒng)課程建設(shè)的實踐[J].安徽工業(yè)大學學報,2003,20(1):78-79.

[2] 許勝，夏華鳳，曹健.基于MATLAB的交互式課堂教學模式研究[J].電氣電子教學學報，2015，37(6)：11-13.

[3] 阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2013:88-93.

[4] 王忠禮，段慧達，高玉峰.MATLAB應(yīng)用技術(shù)-在電氣工程與自動化專業(yè)中的應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2013：122-124.

[5] 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社,2012:108-119.

[6] 蔡斌軍，劉國榮.基于模糊控制濾波補償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù)，2008,42(10):72-74.

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[9] 李正，楊文換.《電機與拖動基礎(chǔ)》虛擬實驗的教學研究[J].中國電力教育，2008(21)：147-148.

(責任編輯 高 嵩)

Study on Course Teaching of Electrical Drive and Control System Based on Matlab

HuXuezhi

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

Matlab has been used widely in engineering system simulation because of its powerful function of mathematical calculation and such advantages as modularization,structural programming and visualization of the Simulink simulation tool.Taking double closed loop DC speed control system and DTC system in AC speed regulation system respectively as an example,the application of Matlab/Simulink simulation in the teaching of electrical drive control system course is discussed and a teaching model of combination of theoretical teaching and simulation experiment is proposed.Through the implementation of the teaching model,good teaching effect has been obtained.

Matlab；simulation；teaching model；DTC；electrical drive and control system

2017-02-12

湖北理工學院校級教學研究項目(項目編號：2014B05)。

胡學芝，教授，碩士，研究方向：自動控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.02.014

G642.0

A

2095-4565(2017)02-0063-05