張敬南

(哈爾濱工程大學自動化學院,黑龍江哈爾濱150001)

我校“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程是通過對電力拖動系統(tǒng)中電動機控制技術(shù)的講授,使學生掌握電力拖動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、數(shù)學模型、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)的教學一般只能從理論上進行分析,難以使用實驗手段讓學生獲得感性認識,而在有限的實驗學時的限制下,學生在實驗環(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行,為電力拖動控制系統(tǒng)的教學提供了有力的支持。

筆者從教學實踐出發(fā),將仿真技術(shù)引入到本科教學中,通過仿真教學案例探討了在電力拖動自動控制系統(tǒng)教學過程中采用仿真教學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)進行計算機仿真的工具[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準軟件。我校本科教學開設(shè)了相關(guān)Matlab軟件的選修課程。

2 仿真教學案例

在教學過程中,可結(jié)合仿真分析不同情況下的控制系統(tǒng)所獲得的運行效果。作為一個教學案例,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的額定電壓,若額定轉(zhuǎn)速空載運行時突加額定負載,該系統(tǒng)能否回到額定轉(zhuǎn)速運行?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,2s時突加額定負載。從圖1虛線可見轉(zhuǎn)速顯然沒有回到額定轉(zhuǎn)速上運行。

圖1 整流裝置輸出電壓對額定負載轉(zhuǎn)速的影響

我們引導學生分析如下原因:由于整流裝置設(shè)計的輸出電壓不超過電動機的額定電壓,而主電路中還包括平波電抗器電阻,額定負載時使得電動機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。教學時可以通過仿真引導學生分析為什么要設(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。在此可以引導學生思考如果只設(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。仿真研究當系統(tǒng)帶額定負載穩(wěn)定運行時,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),電樞電流等于負載電流,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

3 教學改革的效果

3.1 對教學的輔助作用

通過仿真教學平臺,學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)。

在實驗教學方面,我校本科教學采用的實驗裝置為小功率的電機。學生缺乏大功率工業(yè)電機實驗環(huán)境和條件,對那種大功率、高電壓和大電流電機的實際認識。有了仿真教學的輔助,可以針對大功率電機的控制和運行進行仿真試驗,且不必擔心安全問題。

3.2 教學實踐效果分析

應(yīng)用仿真軟件平臺進行輔助教學在我院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)”的教學中進行了實踐,獲得了學生的好評。

學生通過仿真,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)。

通過仿真教學過程,學生熟悉和掌握了一種仿真工具,對于后續(xù)學習研究中接觸到的先進控制理論(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,學生針對復雜問題中不同參數(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手段。

仿真教學中選擇仿真軟件非常重要。在以往的教學中,筆者曾引導學生采用C語言進行仿真研究,效果并不理想。從而注意到必須選擇學生容易學習、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。

考慮到學時限制和學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)。

筆者認為應(yīng)根據(jù)課程的特點,把仿真教學安放在三個環(huán)節(jié)中:①將仿真分析引入到課堂教學過程中,提升理論教學過程的吸引力和教學效果;②布置學生構(gòu)建典型系統(tǒng)的仿真程序,研究系統(tǒng)特性,并開設(shè)討論課進行交流探討,提高學生研究和創(chuàng)新能力;③利用仿真程序預(yù)習實驗內(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)”課程的教學過程中,通過引入直觀的仿真教學,加深了學生對電力拖動自動控制系統(tǒng)的認識,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,還使學生掌握了參數(shù)或環(huán)節(jié)變化對控制系統(tǒng)運行的影響。另外,學生能夠進行更復雜的系統(tǒng)分析,增強學生的學習興趣,還可以改變該課程在以往的教學中面臨脫離實際的困境。通過教學實踐證明,教學過程中引入仿真教學手段獲得了較好的教學效果,對于培養(yǎng)學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:電氣電子教學學報,2009,31(4):57-59

[2] 王云嶺,高建樹.仿真技術(shù)在課堂教學中的應(yīng)用[J].天津:電力系統(tǒng)及其自動化學報,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:機械工業(yè)出版社,2005.1:79-83