胡學(xué)芝

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

基于Matlab的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)研究

胡學(xué)芝

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

Matlab 具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)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(diǎn)，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(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中，提出了一種將理論教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，通過在課程教學(xué)中應(yīng)用和實(shí)施該教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果。

Matlab；仿真；教學(xué)模式；DTC；電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)

0 引言

“電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)”是電氣工程及其自動(dòng)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(gè)部分，同時(shí)它綜合了電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和微電子技術(shù)等多門學(xué)科知識(shí)，該課程具有知識(shí)面寬、理論抽象、與工程實(shí)踐結(jié)合緊等特點(diǎn)[1]，且具有一定的難度和深度，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)難以及時(shí)理解和掌握。建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型并展開分析是本課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)教學(xué)模式不能直觀展現(xiàn)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃，學(xué)習(xí)效率低。為了提高教學(xué)質(zhì)量并改善教學(xué)效果，本文提出了一種基于Matlab的將課堂教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)融為一體的交互式教學(xué)模式。該教學(xué)模式將課程的理論知識(shí)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用有效地結(jié)合起來，使學(xué)生在學(xué)習(xí)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(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響，同時(shí)也讓學(xué)生掌握了系統(tǒng)的建模方法及要點(diǎn)，它將理論教學(xué)、仿真實(shí)踐及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析結(jié)合在一起，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。

Matlab下的Simulink 工具是對各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的平臺(tái)，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(jìn)行組態(tài)的仿真平臺(tái)，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(dòng)系統(tǒng)的仿真過程，同時(shí)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(shí)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(jìn)行仿真。

1 基于Matlab的課程教學(xué)模式及實(shí)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(shí)通過Simulink中的菜單啟動(dòng)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)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(xué)中適時(shí)演示，讓學(xué)生及時(shí)看到參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，能夠增強(qiáng)學(xué)生對抽象理論環(huán)節(jié)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖1可以看出，該課程的教學(xué)過程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

1)引入課程內(nèi)容并進(jìn)行理論分析。根據(jù)教學(xué)計(jì)劃引入課程教學(xué)內(nèi)容,建立系統(tǒng)模型并進(jìn)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(jī)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(dòng)態(tài)指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的計(jì)算方法)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2)引入Matlab/Simulink仿真并與理論分析結(jié)果進(jìn)行比較。在引入典型系統(tǒng)時(shí)先進(jìn)行理論分析，再及時(shí)完成仿真實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證結(jié)果。仿真過程分為2個(gè)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(shí)，通過仿真結(jié)果比較各算法的特點(diǎn)以及同一算法不同參數(shù)配合時(shí)的不同響應(yīng)結(jié)果，如講調(diào)節(jié)器的PI算法時(shí)，對不同Kp和Ki取值時(shí)響應(yīng)曲線的變化情況進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)觀察在最佳PI參數(shù)時(shí)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(jìn)行仿真。仿真過程中，當(dāng)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)時(shí)，可直觀的看到系統(tǒng)響應(yīng)曲線的變化，并驗(yàn)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(jìn)行仿真時(shí)，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(shí)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(shí)啟動(dòng)過程的電流、轉(zhuǎn)速的超調(diào)量和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程調(diào)節(jié)時(shí)間，使學(xué)生理解啟動(dòng)過程的3個(gè)階段及2個(gè)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(biāo)的不同。

3)實(shí)際工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真訓(xùn)練。人才培養(yǎng)方案中設(shè)有課程設(shè)計(jì)，在課程開始時(shí)就下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，要求學(xué)生完成一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和一個(gè)交流系統(tǒng)的建模和仿真任務(wù)。進(jìn)行直流調(diào)速部分的設(shè)計(jì)及仿真時(shí)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(shí)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(yàn)證；最后要求學(xué)生答辯并提交設(shè)計(jì)報(bào)告。本課程教學(xué)通過與Matlab仿真結(jié)合，以及上述環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中的應(yīng)用和實(shí)施，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率，為下一步完成畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)施

交、直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)例有很多。本研究分別選用一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)和一個(gè)交流調(diào)速系統(tǒng)中的典型系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jìn)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(shí)例，該方法具有可視化的特點(diǎn)，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(shí)直接進(jìn)行修改[3]。

首先在理論分析中通過工程設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)(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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖將各環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真過程分為如下2個(gè)步驟。

1)對內(nèi)環(huán)-電流環(huán)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，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(xiàng)，將開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間分別設(shè)置為0.0 s和0.05 s，啟動(dòng)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(biāo)值的影響，如取KT=0.25時(shí)，對應(yīng)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.5067+16.89/s，此時(shí)系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)，響應(yīng)時(shí)間較長，電流環(huán)過阻尼時(shí)的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。取KT=0.5時(shí)，對應(yīng)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為1.013+33.77/s，此時(shí)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(shí)的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，此時(shí)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(diǎn)，說明電流調(diào)節(jié)器受電機(jī)反電動(dòng)勢的擾動(dòng)，系統(tǒng)對階躍擾動(dòng)是有靜差的。

2)對外環(huán)-轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)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(gè)輸入變量聚合成1個(gè)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(jì)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(fù)載電流設(shè)置為136 A，額定轉(zhuǎn)速是1500 r/min。啟動(dòng)仿真，從仿真結(jié)果中可清楚地看到啟動(dòng)過程的3個(gè)階段：電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在額定負(fù)載下啟動(dòng)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(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)突加額定負(fù)載的響應(yīng)過程，可看出系統(tǒng)對階躍擾動(dòng)是無靜差的。

在課程教學(xué)中，先應(yīng)用工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)建模仿真方案，而工程設(shè)計(jì)法是在一定的近似條件下所得到，因此在仿真時(shí)可根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)的參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行修正和調(diào)整，直到最后達(dá)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(jìn)行建模仿真，電動(dòng)機(jī)采用基于αβ坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)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(dòng)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(jī)的漏磁系數(shù)；再經(jīng)過直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)時(shí)，磁鏈的幅值增長迅速，很快達(dá)到了磁鏈給定值，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載變化時(shí)，磁鏈波形基本不變，反應(yīng)在圖中就是一個(gè)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(dòng)電流比較大，但隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電流的幅值逐漸減小，并隨著轉(zhuǎn)速一起達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由仿真結(jié)果來看，采用本控制策略進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩仿真，所得到的系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性都很優(yōu)良，與理論分析結(jié)果吻合。可見應(yīng)用面向?qū)ο笤韴D的仿真方法同樣可以很方便地進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)[8]。

3 結(jié)束語

基于Matlab的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)，將Matlab/Simulink仿真應(yīng)用于課程教學(xué)中，并通過典型實(shí)例說明了其應(yīng)用過程。將Matlab/Simulink用于課程教學(xué)，使課堂教學(xué)變得生動(dòng)、直觀，改變了傳統(tǒng)教學(xué)過程中學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，提高了學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中，有效地將理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)融為一體，通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，加深了學(xué)生對理論知識(shí)的理解[9]，增強(qiáng)了師生互動(dòng)，提高了學(xué)習(xí)效率，通過仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施也使學(xué)生的理論分析能力，實(shí)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(jì)和工程實(shí)踐打下了良好的基礎(chǔ)。通過在近4屆學(xué)生的課程教學(xué)中應(yīng)用和實(shí)施新教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果，體現(xiàn)了其優(yōu)勢，可推廣到其他課程教學(xué)中。

[1] 洪乃剛.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程建設(shè)的實(shí)踐[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,20(1):78-79.

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[3] 阮毅,陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013:88-93.

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

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[8] 許勝，夏華鳳，曹健.基于Matlab 的交互式課堂教學(xué)模式研究[J].電氣與電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(6)：11-13.

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(責(zé)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(xué)院校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014B05)。

胡學(xué)芝，教授，碩士，研究方向：自動(dòng)控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.02.014

G642.0

A

2095-4565(2017)02-0063-05