荊建立，史成芳

(蚌埠學院　機械電子工程系，安徽　蚌埠　233000)

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電機類實驗工程化教學研究

荊建立，史成芳

(蚌埠學院機械電子工程系，安徽蚌埠233000)

摘要以提高學生工程應(yīng)用能力為目標，進行實驗教學改革，將“電機學”“自動控制原理”“電力電子技術(shù)”及“電力拖動自動控制系統(tǒng)”4門電機類課程進行整合，構(gòu)建并有效運行了以綜合性、設(shè)計性實驗為主體的工程化實驗教學模式。以“基于LabVIEW直流電機的PID控制”實驗項目為例，詳細介紹了實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗結(jié)果和教學效果。采用工程化教學，增加了實驗的吸引力，對培養(yǎng)學生的工程能力具有積極的促進作用。

關(guān)鍵詞電機學；實驗教學；工程化教學；PID控制；虛擬儀器

“電機學”“自動控制原理”“電力電子技術(shù)”及“電力拖動自動控制系統(tǒng)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)課，這4門課程聯(lián)系密切，關(guān)聯(lián)性強，“電機學”是這4門課程的核心課程，可以將這4門課程稱為該專業(yè)的電機類課程[1]。“電機學”和“自動控制原理”課程抽象，理解難度大[2]?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程實踐性強，對實驗教學依賴度高，但是目前“電力電子技術(shù)”實驗課程演示性或驗證性實驗項目比重較大，過于分散，系統(tǒng)性差?！半娏ν蟿幼詣涌刂葡到y(tǒng)”是一門集成電力電子技術(shù)、自動控制原理和電機學等方面的綜合課程，但是其目前的實驗技術(shù)比較落后，實驗效果不夠理想[3]。

電機類課程的教學應(yīng)特別注重培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用能力，在很大程度上要依靠實驗教學，但是目前的電機類實驗教學模式知識點分散，缺乏系統(tǒng)性和應(yīng)用性，多為驗證性實驗。為了改變上述不足，提高實驗教學效果，筆者對電機類課程實驗進行統(tǒng)籌整合，將上述4門電機類課程作為一個整體進行考慮，重新構(gòu)建包含這4門課程所有實驗項目知識點的完整實驗體系。先對這4門課程的實驗項目進行分析，抽取知識點，把重復(fù)、相似知識點合并到一個實驗項目，把連續(xù)、銜接知識點合并到另一個實驗項目，設(shè)計實驗項目時既考慮包含的知識點，又考慮目前的工程實際，注重開發(fā)工程化、應(yīng)用性實驗項目，構(gòu)建、設(shè)計了完整的融合這4門課程的工程化實驗項目體系，下面以開發(fā)的“基于LabVIEW直流電機的PID控制”實驗項目為例進行介紹。

1實驗系統(tǒng)組成及工作原理

直流電機以其良好的起動性能和調(diào)速性能著稱，具有重要的理論意義和實用價值，在電機學教學中占有重要地位?！盎贚abVIEW直流電機的PID控制”實驗項目的主要內(nèi)容是對直流電機進行速度控制，使用LabVIEW軟件編寫PID算法程序。該實驗項目包含了直流電機調(diào)速、DC-DC變換、PWM、PID控制、電機的計算機控制、虛擬儀器等知識點，涉及電機學、電力電子、自動控制原理和電力拖動自動控制系統(tǒng)等課程。該項目不僅知識點密集，而且聯(lián)系了工程實際，融合了LabVIEW等先進技術(shù)，具有技術(shù)先進性和實際應(yīng)用性，可以培養(yǎng)學生的工程概念和系統(tǒng)概念。

實驗系統(tǒng)由一臺計算機、一臺直流電機、一塊數(shù)據(jù)采集卡、霍爾效應(yīng)編碼器及H橋驅(qū)動電路組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)使用USB接口與計算機通信，霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器用來測量直流電機轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩路相位相差90°的脈沖信號，脈沖信號通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道輸入到計算機中，程序通過判斷兩路脈沖的先后順序可以判別旋轉(zhuǎn)方向，通過計算脈沖的頻率可以得到實際轉(zhuǎn)速大小，將實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比較，計算出給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，差值經(jīng)過PID 算法處理形成控制信號，控制信號通過采集卡的DA處理后傳送信號給直流電機H橋驅(qū)動電路，對其進行電壓控制，從而實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速的計算機閉環(huán)控制。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW 是美國國家儀器公司(national instrument)開發(fā)的一種虛擬儀器平臺，是一種圖形化編程語言，其軟件界面形象生動，并且編程簡單，通常稱為G語言，具有開放的環(huán)境，能和第三方軟件輕松連接。LabVIEW可以用來進行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和表達，使工程師和科學家能充分利用計算機的功能，快速簡便地完成自己的工作[4]。

用虛擬儀器圖形化編程軟件 LabVIEW控制直流電機，實現(xiàn)起來非常方便和直觀，功能也很強大，只需按下LabVIEW軟件界面中的一個按鈕便可控制直流電機啟動、停止、加減速和正反轉(zhuǎn)，并且速度、電流等物理量可以形象地實時顯示，調(diào)整控制方式和修改算法也很方便，因此具有實用價值。

程序的核心模塊是PID控制算法，PID控制是指比例、積分、微分控制，即對系統(tǒng)的誤差進行比例、積分、微分計算，計算結(jié)果作為控制量[5]。PID控制是自動控制原理課程的重要內(nèi)容，也是目前工程實踐中應(yīng)用最為廣泛的控制方法，問世至今已有近70年歷史，是工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，并且日益受到控制理論界的重視。PID控制適合于被控對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和數(shù)學模型不太清晰，甚至不太確定，其他控制方法難以應(yīng)用的場合，即使用戶對一個系統(tǒng)和被控對象不完全了解，或是不能有效測量系統(tǒng)參數(shù)時，也適合采用PID控制技術(shù)[6]。

PID控制連續(xù)形式的數(shù)學表達式為：

(1)

式中，kP為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

計算機控制是一種數(shù)字化離散采樣控制，應(yīng)當使用數(shù)字PID控制，其數(shù)學表達式為：

(2)

式中，kP為比例系數(shù)，kI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)。

3實驗結(jié)果

PID控制算法是整個控制系統(tǒng)的核心，PID參數(shù)對控制品質(zhì)有著直接的影響，PID參數(shù)設(shè)定是工程中的實際需要，也是自動控制原理中比較復(fù)雜和困難的內(nèi)容，是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制算法的比例系數(shù)kP、積分系數(shù)kI和微分系數(shù)kD的大小，本實驗項目研究各個參數(shù)的作用和如何設(shè)置參數(shù)[7]。

比例系數(shù)kP是比例控制，能迅速產(chǎn)生與誤差成正比的控制作用，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。圖2是kP=0.4，給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時轉(zhuǎn)速實時曲線，從圖2中可以看出實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速有差值，從而驗證了比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖2　kP=0.4轉(zhuǎn)速響應(yīng)實時曲線

積分系數(shù)kI是積分控制，積分控制主要用于消除靜差。圖3是kp=0.4，kI=0.2，給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時轉(zhuǎn)速實時曲線，從圖中可以看出實際轉(zhuǎn)速等于給定轉(zhuǎn)速，沒有差值。

圖4為kp=1，kI=0.2，給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時轉(zhuǎn)速實時曲線，即增大了比例作用，從圖中可以看出系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，但是出現(xiàn)了超調(diào)，說明了比例系數(shù)過大，這也驗證了教材中比例控制的作用。

圖3　kp=0.4，kI=0.2轉(zhuǎn)速響應(yīng)實時曲線

圖4　kP=1，kI=0.2轉(zhuǎn)速響應(yīng)實時曲線

微分系數(shù)kD是微分控制，微分控制可以根據(jù)誤差變化的速度，提前給出合適的控制作用。誤差微分反映了系統(tǒng)變化的趨勢，具有超前和預(yù)測的特點，可以改善系統(tǒng)動態(tài)性能。圖5為加入微分控制后，即 kp=1，kI=0.2，kD=0.01，給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時轉(zhuǎn)速實時曲線，從圖5中可以看出加入微分控制后響應(yīng)更為迅速和精確。

圖5　kP=1，kI=0.2，kD=0.01轉(zhuǎn)速響應(yīng)實時曲線

4結(jié)束語

鑒于“電機學”“電力電子技術(shù)”“自動控制原理”“電力拖動自動控制系統(tǒng)”這4門電機類課程的特點，單純的課堂教學容易造成理論和實踐脫節(jié)的情況，很難達到預(yù)期教學效果。本文通過對電機類實驗課程進行整合，融合最新工程實踐技術(shù)，開發(fā)了完整的綜合性、設(shè)計性實驗項目體系，采用工程化教學，增加了實驗的吸引力、連貫性和技術(shù)先進性，改變了傳統(tǒng)的灌輸式和分散式實驗教學，對培養(yǎng)學生的工程能力具有積極的促進作用。

參 考 文 獻

[1]肖金鳳，朱榮輝，盛義發(fā).電氣工程及其自動化專業(yè)電機學教學改革研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2003，15(6)：97-99.

[2]李文輝，丁守成.電機類課程教學改革的研究與實踐[J].電氣電子教學學報，2004，26(5)：18-20.

[3]潘再平.電力電子技術(shù)與電機控制實驗教程[M].杭州：浙江大學出版社，2000:75-119.

[4]陳國順，張桐，郭陽寬，等.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012:8-9.

[5]劉金琨.先進PID控制Matlab仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004:1-2.

[6]吳宏鑫，沈少萍.PID控制的應(yīng)用與理論依據(jù)[J].控制工程，2003，10(1)：37-42.

[7]王偉，張晶濤，柴天佑.PID參數(shù)先進整定方法綜述[J].自動化學報，2000，26(3)：347-355.

收稿日期:2015-03-09；修改日期: 2015-03-17

基金項目：安徽省高等學校省級自然科學研究項目(KJ2012Z240)；蚌埠學院教學研究項目(JYLY1212)。

作者簡介：荊建立(1980-)，男，碩士，講師，主要從事電機控制方面的實驗教學方面的研究。

中圖分類號TM30；G642.0

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.040

Research on Engineering Experiment Teaching of Electric Machinery

JING Jianli，SHI Chengfang

(Departement of Mechano-Electronic Engineering，Bengbu College，Bengbu 233000，China)

AbstractTo improve the student’s engineer ability and application ability，experiment teaching reform has been performed in Bengbu college.The electric machinery course are integrated with the the automatic control principle course，the power electronics course and the automatic control system of electric traction course，the engineering experiment teaching mode is established mainly by synthetic and designing experiments.As an example，the PID control of DC motor based on LabVIEW is introduced，included the experiment theory，the experiment content，the experiment result and teaching result.Engineering teaching increased the attraction of experiment，played a positive role in culturing the engineer ability of students.

Key wordselectric machinery； experiment teaching； engineering teaching； PID control;virtual instrument