朱云國 尹愛勇 江春紅

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；2.銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000；3.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000）

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》試驗(yàn)實(shí)施應(yīng)用型教學(xué)的探索

朱云國1，2尹愛勇3江春紅2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；2.銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000；3.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000）

電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)過程中，做實(shí)驗(yàn)是理論學(xué)習(xí)的補(bǔ)充和拓展。文章針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，首先分析了仿真實(shí)驗(yàn)的必要性以及軟件的實(shí)現(xiàn)方法；通過舉例分析了運(yùn)用MATLAB進(jìn)行電機(jī)與拖動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)的可行性和優(yōu)越性。

電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)；MATLAB；仿真實(shí)驗(yàn)

1 .前 言

現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程中，電機(jī)擔(dān)負(fù)著機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要任務(wù)，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，它支撐著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國防建設(shè)的正常運(yùn)行。電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)是用來指導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的，它已經(jīng)成為許多行業(yè)技術(shù)人員必備的知識(shí)。因此，為了滿足社會(huì)的需求，培養(yǎng)出優(yōu)秀的科技人才，銅陵學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)和機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生必須加強(qiáng)對(duì)“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”這一專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)。“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”的課程特點(diǎn)是具有強(qiáng)的理論性又相對(duì)較抽象，這種綜合性給學(xué)生的理解帶來很大的困難，需要借助實(shí)驗(yàn)加深對(duì)課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。但銅陵學(xué)院開設(shè)的該課程實(shí)驗(yàn)，仍處于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有從模塊化、系統(tǒng)化的角度整體考慮，學(xué)生以被動(dòng)接受為主，忽視了學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的地位，不利于學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)能力的培養(yǎng)，使學(xué)生缺乏創(chuàng)新等能力。另外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)臺(tái)套數(shù)緊張，難以滿足日益擴(kuò)大的招生規(guī)模的需求，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)需要大量的資金投入，但因資金和實(shí)驗(yàn)室面積有限，隨著招生規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，這種窘迫情況勢(shì)必更加嚴(yán)重。電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，要想在有限學(xué)時(shí)里鞏固和掌握課堂內(nèi)容，顯然是很困難的。而采用軟件仿真實(shí)驗(yàn)替代硬件實(shí)驗(yàn)的辦法，學(xué)生可以在個(gè)人電腦上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將為學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供廣闊的發(fā)展空間。使用Matlab仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，互相彌補(bǔ)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形象直觀，易于理解;實(shí)驗(yàn)過程更生動(dòng)清晰，提高了實(shí)驗(yàn)效率，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2 .MATLAB Simulink概述

MATLAB 是著名數(shù)學(xué)軟件，憑借強(qiáng)大的計(jì)算能力，已經(jīng)發(fā)展成一種具有廣泛前景的、全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言，人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語言，當(dāng)前已成為美國和其他發(fā)達(dá)國家大學(xué)本科生、碩士生、博士生必備工具。它不但有很好的助學(xué)性能，而且有很好的教學(xué)性能，在我國很多教師和學(xué)生正逐步將MATLAB作為重要的仿真工具。

在MATLAB中的Simulink工具箱提供了系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，為準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型和進(jìn)行仿真分析提供了開發(fā)式的體系結(jié)構(gòu)。Simulink為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)提供直觀的、圖形化的仿真環(huán)境，MATLAB為數(shù)據(jù)分析、可視化與算法開發(fā)提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，它們共同建立了一個(gè)靈活的、綜合的、有豐富特性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境，為用戶對(duì)這一平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展或開發(fā)自己的工具提供了豐富技術(shù)支持。

（1）可視化建模。Simulink建模時(shí)是可視化的，只需在Simulink圖塊元件庫中選擇合適的模型塊拖放到Simulink建模窗口就可迅速建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的框圖模型。Simulink圖塊元件庫可用于構(gòu)成各種不同種類的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

（2）設(shè)計(jì)及模擬快速、準(zhǔn)確。Simulink優(yōu)秀的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶來了極高的精度。先進(jìn)的常微分求解器可用于求解剛性的和非剛性的系統(tǒng)、具有事件觸發(fā)或不連續(xù)狀態(tài)的系統(tǒng)和具有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)。Simulink的求解器能確保連續(xù)系統(tǒng)或離散系統(tǒng)的仿真高速、準(zhǔn)確地進(jìn)行。同時(shí)，Simulink還為用戶準(zhǔn)備一個(gè)圖形化的調(diào)試工具輔助用戶進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

（3）交互式的仿真分析。Simulink的示波器可以動(dòng)態(tài)、圖形化的顯示數(shù)據(jù)，能夠在仿真運(yùn)算過程中隨時(shí)監(jiān)視仿真結(jié)果。Simulink的交互仿真使假設(shè)分析簡單易行，運(yùn)行中可隨時(shí)改變模型參數(shù)并立刻觀察改動(dòng)結(jié)果。由于Simulink完全集成于MATLAB，在Simulink下計(jì)算的結(jié)果可保存到MATLAB的工作空間中，因而還能使用MATLAB所具有的眾多分析、可視化及工具箱工具操作數(shù)據(jù)。

3 .基于MATLAB的仿真試驗(yàn)

3.1MATLAB軟件的語言入門要求低MATLAB中的編程是一個(gè)單一的易學(xué)易用的環(huán)境，編輯器可以將MATLAB語言編寫的m文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C或C++文件，支持用戶進(jìn)行獨(dú)立的應(yīng)用開發(fā)。可以進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所不能進(jìn)行的綜合性的實(shí)驗(yàn)。MATLAB作為計(jì)算工具具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其編程風(fēng)格與實(shí)際問題的分析十分的接近，編程語言接近數(shù)學(xué)語言，在當(dāng)今科學(xué)及計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)居于領(lǐng)先地位，是當(dāng)今工程技術(shù)人員必須掌握的工具軟件。下面以交流磁路電流畸變分析為例，仿真分析：

（1）磁通Φ與電流I之間的關(guān)系Φ=f（I）；

（2）分析磁通Φ與時(shí)間t之間的關(guān)系Φ=f（t）；

（3）通過上述對(duì)應(yīng)關(guān)系確定電流I和時(shí)間t之間的關(guān)系I= f（t），這就是電流的畸變規(guī)律。

已知交流磁路磁化數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 某交流磁路磁化數(shù)據(jù)

在MATLAB中編程如圖1所示，用spline函數(shù)，根據(jù)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)求勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)的樣條插值，就是根據(jù)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)（I，Ψ），求對(duì)應(yīng)于Ψ數(shù)據(jù)的插值I。spline函數(shù)三次樣條插值，屬于插值精度很高的方法。

圖1 MATLAB中的m文件

圖2 MATLAB仿真中的輸出波形圖

3.2隨意改變模塊參數(shù)首先學(xué)生在做傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，面對(duì)的是各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)復(fù)雜控制電路往往不知所措，只是依據(jù)給定的電路進(jìn)行接線；對(duì)于控制系統(tǒng)的參數(shù)，不知如何調(diào)整，而是胡亂地調(diào)節(jié)電位器值和電容值，很容易造成控制電路和電機(jī)的損壞；更不知調(diào)整的參數(shù)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的哪些具體參數(shù)，顯然不會(huì)對(duì)課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容加深理解，這使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)不感興趣；另外實(shí)驗(yàn)設(shè)備高度集成，可擴(kuò)展性差，難以開展綜合性實(shí)驗(yàn)；MATLAB Simulink進(jìn)行仿真時(shí)，具有一個(gè)無論是用在教學(xué)中還是用在研究中都非常優(yōu)秀的特點(diǎn)：可以改變各個(gè)模塊的參數(shù)，然后通過示波器立即觀察由于參數(shù)改變而引起的系統(tǒng)變化。這個(gè)特點(diǎn)可以進(jìn)一步提高學(xué)生討論和思考問題的積極性，能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步研究復(fù)雜問題中不同參數(shù)在系統(tǒng)中所產(chǎn)生的影響及不同參數(shù)間的相互作用關(guān)系。采用方框圖繪制來代替程序的編寫，使系統(tǒng)編寫具有可視化的功能，不僅有利于教師根據(jù)課程特點(diǎn)編寫多媒體課件，而且可培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取知識(shí)的能力及提高學(xué)生借助于計(jì)算機(jī)解決工程實(shí)際問題的能力。下面我們以一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)，要求仿真實(shí)驗(yàn)電樞回路串電阻三級(jí)起動(dòng)為例：

圖3 直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型

其中電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)為PN=17kW,UN=220V,IN=88.9A, nN=3000r/min,電樞回路總電阻為Ra=0.087Ω,勵(lì)磁回路總電阻為RF=181.5Ω，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=0.76kg·m2。

圖4 三級(jí)起動(dòng)變阻箱的電路模型

圖5 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)分級(jí)起動(dòng)的仿真結(jié)果

圖4三級(jí)起動(dòng)變阻箱的電路模型封裝后就是圖3直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型中的變阻箱的仿真模型。通過計(jì)算得額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL=60.1N·m,電動(dòng)機(jī)的最大允許電流一般為額定電流的2.5倍，故最大電流設(shè)計(jì)在200A，為確保電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，最小轉(zhuǎn)矩應(yīng)至少大于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，所以最小起動(dòng)電流定在100A。從圖5的仿真結(jié)果可以看出，起動(dòng)過程中，電流能被限制在100-200A，沒有發(fā)生過電流的情況；實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的近似平滑上升；并且保證了轉(zhuǎn)矩在一個(gè)相對(duì)較大值。圖5清楚的反映了起動(dòng)中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。

4 .結(jié)論

為了適應(yīng)現(xiàn)代教育發(fā)展的需要，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須不斷更新教學(xué)方法與手段，深化教學(xué)改革。MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，在實(shí)驗(yàn)中利用MATLAB進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，仿真實(shí)驗(yàn)課使實(shí)驗(yàn)在一種“問題—實(shí)踐—交流—猜想—推證—解決”的新模式中進(jìn)行，可以使實(shí)驗(yàn)方法得到改進(jìn)，積極推進(jìn)課程建設(shè)的發(fā)展。利用MATLAB Simulink工具箱及m文件編程，能構(gòu)建所需系統(tǒng)仿真模型和開發(fā)各種控制界面，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的興趣，有利學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提高了實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)水平，也可以為我們的實(shí)驗(yàn)室投資節(jié)省一大筆寶貴的經(jīng)費(fèi)。MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)必將成為我們教學(xué)和科學(xué)研究中最常用且必不可少的工具。

［1］黃永安，馬 路，劉慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］潘曉晟，郝世勇.MATLAB電機(jī)仿真精華50例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］蘇曉生.掌握MATLAB6.0及其工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

G642

A

1672-0547（2010）01-0108-02

2009-08-01

朱云國（1976-），男，安徽宿松人，銅陵學(xué)院電氣工程系副教授，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院博士研究生，研究方向：智能控制、電力電子技術(shù)。