摘" 要" 針對電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合電氣工程專業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，分析MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用，并且通過MATLAB搭建PMSM矢量控制系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐體系。仿真結(jié)果表明，基于MATLAB仿真軟件的電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐方案，不僅能增強(qiáng)學(xué)生的積極性，降低理論課授課難度，而且能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和思維能力，為培養(yǎng)新工科人才奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞" 新工科；工程教育；MATLAB仿真軟件；電氣工程及其自動(dòng)化；電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)；仿真教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）23-0127-05

0" 引言

目前，世界高等工程教育改革創(chuàng)新面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。我國“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”“一帶一路”等戰(zhàn)略和倡議推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新需求等帶動(dòng)新經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，牢牢抓住新技術(shù)的創(chuàng)新和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇，對新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)與新技術(shù)背景下培養(yǎng)大批新工科專業(yè)人才提出更高要求和挑戰(zhàn)，積極推動(dòng)工程教育改革創(chuàng)新已成為政產(chǎn)學(xué)研各界的共識(shí)[1-2]。在新興工程專業(yè)認(rèn)證背景下，未來新興技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)業(yè)需求挖掘出實(shí)際工程的復(fù)雜問題，根據(jù)工程專業(yè)理論知識(shí)分析復(fù)雜工程問題，并且通過科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題解決方案進(jìn)行研究，構(gòu)建合理的實(shí)驗(yàn)體系，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解釋，最終歸納獲得合理、有效和可靠的結(jié)論，同時(shí)培養(yǎng)出創(chuàng)新和思維能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[3]。

電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)是以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)被控對象，控制器為中央處理核心，電力電子技術(shù)變換裝置為弱電控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論或先進(jìn)智能控制理論的協(xié)助下組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著科技的快速發(fā)展[4]，電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)在航天航空控制、智能化農(nóng)業(yè)、新能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且扮演著重要的角色。本文在新時(shí)期工程專業(yè)認(rèn)證背景下探索MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)仿真中的應(yīng)用，并且為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)后續(xù)學(xué)科課程設(shè)計(jì)、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)以及相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)提供參考和借鑒。

電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)是電氣工程及其自動(dòng)化本科專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的一門主干課程。在自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)之上，電機(jī)控制系統(tǒng)作為被控制對象，以研究系統(tǒng)的控制規(guī)律為主線，講述交、直流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理和動(dòng)靜態(tài)性能，學(xué)習(xí)電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并介紹典型系統(tǒng)和應(yīng)用實(shí)例。鑒于該課程是多門學(xué)科相互交叉的綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，對該課程進(jìn)行教學(xué)改革是新時(shí)期工程專業(yè)認(rèn)證的必然要求。電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)踐性非常強(qiáng)的工程專業(yè)學(xué)科，由于各部分內(nèi)容理論性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅靠課堂理論教學(xué)，學(xué)生難以理解和掌握，需利用MATLAB仿真軟件輔助理論教學(xué)，將電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)課程與實(shí)踐仿真教學(xué)緊密結(jié)合，使抽象內(nèi)容具體化、可視化。通過仿真教學(xué)，學(xué)生能夠徹底掌握和理解直、交流調(diào)速系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性，并且能夠深刻掌握運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)以及參數(shù)的測量和整定等方法，從而有效地提高分析和解決復(fù)雜問題的能力。通過實(shí)踐操作和自我探索，學(xué)生可以提升學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)創(chuàng)新精神，為設(shè)計(jì)出合理可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)，從而真正落實(shí)新時(shí)期高等工程專業(yè)認(rèn)證的要求。

1" MATLAB仿真軟件

目前，MATLAB是面向工程與科學(xué)計(jì)算的最佳仿真軟件，具有易操作、使用靈活、功能較強(qiáng)和開放性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且具有良好的模塊化仿真環(huán)境和面向?qū)ο蟮膮R編語言、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和圖形處理能力，因此在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。

MATLAB中的Simulink仿真軟件是Windows與用戶模塊化圖形交換界面，其良好的用戶界面方便添加用戶需要的模塊以及進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)仿真模型的搭建過程，并對電氣工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行可視化建模與分析，使其復(fù)雜交錯(cuò)的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐仿真相結(jié)合，有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)容簡單化，幫助學(xué)生更好地掌握和理解相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)。

此外，M文件為Simulink軟件中的一種具備特殊功能的工具，能夠利用MATLAB、C、C++、Ada或Fortran等匯編語言進(jìn)行自定義，可根據(jù)用戶的不同需求來匯編出可讀性強(qiáng)的代碼程序以及構(gòu)建出特殊功能的相關(guān)仿真模型。例如：利用M文件中的S函數(shù)（即S-function）建立微分和積分的數(shù)學(xué)模型，主要由函數(shù)名模塊（function[sys，x0，str，ts]=pmsm （t，x，u，flag，parameters））、初始化模塊（function[sys，x0，str，ts]=mdlInitializeSizes）、微分狀態(tài)模塊（Functionsys=mdlDerivatives（t，x，u，parameters））和系統(tǒng)輸出模塊（functionsys=mdlOutputs（t，x，u））等四部分組成。其中，當(dāng)Simu-link軟件借調(diào)M文件中的S-function函數(shù)時(shí)，將時(shí)間、狀態(tài)變量、輸入量和標(biāo)志符（即t、x、u和flag）作為S-function的函數(shù)參數(shù)。用戶可以通過Simulink環(huán)境向S-function設(shè)置特定的參數(shù)值，主要有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和附加參數(shù)，其參數(shù)設(shè)置如圖1所示。

由圖1可知，在S-function模塊外界面對話框S-function parameters中來實(shí)現(xiàn)特定參數(shù)值的設(shè)置，并且便于用戶實(shí)時(shí)操作；S-function模塊外界面對話框由標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對話框和附加參數(shù)對話框兩部分組成，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對話框可指定固定不變的參數(shù)值，而附加參數(shù)對話框可用來設(shè)置特殊或者可變的參數(shù)值，在S-function中各自具有獨(dú)立的參數(shù)表，并且S-function中的參數(shù)表順序與外界面對話框中的參數(shù)順序相一致；同時(shí)，用戶可利用S-function模塊外界面對話框調(diào)節(jié)特定參數(shù)，使其S-function模塊輸出滿足用戶的特殊功能要求。因此，在電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中，利用MATLAB仿真軟件不僅能夠很好地滿足教學(xué)的需求，而且能夠提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和思考能力。

2" 基于MATLAB的三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模與仿真分析

MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐仿真中獲得廣泛應(yīng)用，并且能夠搭建仿真數(shù)學(xué)模型以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與特性分析，其中控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速、轉(zhuǎn)速和電流環(huán)雙閉環(huán)反饋控制直流調(diào)速、異步電動(dòng)機(jī)定向磁鏈?zhǔn)噶靠刂啤惒诫妱?dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制、永磁同步電機(jī)定向磁鏈?zhǔn)噶靠刂啤⒔涣魉欧姍C(jī)控制。三相永磁同步電機(jī)定向磁鏈?zhǔn)噶靠刂茖儆贛ATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的典型實(shí)例，主要由三相永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Syn-

chronous Motor，PMSM）、電力電子技術(shù)交流器裝置、控制器以及信號(hào)檢測與處理等重要環(huán)節(jié)組成，并且研究分析其各環(huán)節(jié)的工作原理、靜動(dòng)特性等。

綜上所述，本文以最經(jīng)典的三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1" 三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型與參數(shù)

為了更好地闡述MATLAB仿真軟件有效性和可靠性，以及在電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用效果，針對三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，在MATALB環(huán)境中利用Simulink模塊和M文件中的S函數(shù)模塊來構(gòu)建三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，其中主要由轉(zhuǎn)速和電流環(huán)PI控制器模塊、SVPWM調(diào)制算法模塊、三相永磁同步電機(jī)模塊，abc/dq坐標(biāo)系變換模塊以及測量和顯示模塊等部分組成。仿真模型如圖2所示。仿真模型所涉及的主要參數(shù)如表1所示。

2.2" 轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器

轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定參考值的控制器，目前最常用的控制方法有PI控制、滑?？刂?、智能控制和模型預(yù)測控制等。在實(shí)際應(yīng)用中，PI控制器是最常見的轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器，與其他控制相比，PI控制器具有響應(yīng)速度快、跟蹤性強(qiáng)和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用基于PI控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，利用自動(dòng)控制理論中的典型Ⅱ系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)PI控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定，并且整定參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能之間存在緊密關(guān)系，此種方法設(shè)計(jì)和參數(shù)整定簡單易行，從而可以獲得準(zhǔn)確的PI控制器數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

2.3" 電流內(nèi)環(huán)控制器

電流內(nèi)環(huán)控制器是實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)快速啟動(dòng)和制動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)控制方法主要有定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂?、直接轉(zhuǎn)矩控制和先進(jìn)智能控制等。本文采用d軸零電流矢量控制，即電流內(nèi)環(huán)采用idref=0控制，其實(shí)質(zhì)是基于前饋解耦補(bǔ)償?shù)腜I控制器，從而實(shí)現(xiàn)對交直耦合電動(dòng)勢進(jìn)行完全解耦控制。根據(jù)在dq軸坐標(biāo)系下的三相永磁同步電機(jī)的定子電流狀態(tài)微分方程，再次結(jié)合自動(dòng)控制理論中的典型I系統(tǒng)對PI電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定與設(shè)計(jì)，主要是內(nèi)?？刂频脑怼＠肧imulink軟件搭建dq軸坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的仿真模型，如圖4和圖5所示。圖4和圖5仿真表明，搭建的仿真模型和理論模型完全一致。

2.4" SVPWM算法模塊

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modula-tion，空間矢量脈寬調(diào)制）算法實(shí)質(zhì)是磁場和電壓空間矢量之間的關(guān)系，并且電動(dòng)機(jī)在空間可形成旋轉(zhuǎn)磁場，最終保證電磁轉(zhuǎn)矩恒定。SVPWM算法實(shí)現(xiàn)過程：首先，判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)；其次，通過參考電壓矢量合成原則確定非零矢量和零矢量作用時(shí)間以及扇區(qū)矢量切換點(diǎn)；最后，利用固定周期的三角載波與扇區(qū)矢量切換點(diǎn)進(jìn)行比較，從而獲得實(shí)時(shí)調(diào)制的PWM脈沖信號(hào)。由于Simulink軟件能夠搭建正確的SVPWM算法的仿真模型，但是其實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜、排除錯(cuò)誤困難，因此，本文采用M文件中S-function編程來搭建SVPWM算法的仿真模型，如圖6所示。

2.5" 仿真與分析

圖2給出三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，假設(shè)系統(tǒng)仿真時(shí)間為0.2 s，系統(tǒng)帶載啟動(dòng)（1 N·m），在0.1 s時(shí)負(fù)載突增至3 N·m。圖7給出在不同負(fù)載情況下三相PMSM系統(tǒng)的三相電流、a相電流諧波值、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)波形圖。由圖7可知，在啟動(dòng)時(shí)，三相永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有較大幅值的電流值，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流光滑平穩(wěn)，并且a相電流諧波值為THD=9.2%，說明電流諧波含量較高。同理，根據(jù)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的波形，可直觀地進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，如跟隨性能和抗干擾性。其中，跟隨性能評價(jià)指標(biāo)有超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等，抗干擾性能評價(jià)指標(biāo)主要有動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。

利用MATLAB仿真軟件可有效地構(gòu)建出三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真圖形與教材中的示例圖形完全一致。該仿真模型可有效、可靠地驗(yàn)證三相永磁同步電機(jī)的機(jī)械特性、動(dòng)靜態(tài)特性、SVPWM算法、雙閉環(huán)控制以及參數(shù)整定等問題。

將MATLAB仿真軟件引入電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)中，不僅具有直觀、簡單和高效等特點(diǎn)，有利于學(xué)生深入地學(xué)習(xí)電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理以及整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程，而且能夠生動(dòng)形象展示課程相關(guān)理論知識(shí)，易于學(xué)生掌握和理解，同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和思維能力，為后續(xù)工作與相關(guān)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

3" 結(jié)束語

MATLAB仿真軟件融入電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)，具有良好的圖形模塊展示、直觀易懂和容易排查錯(cuò)誤等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地激發(fā)學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣，并且能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手能力，進(jìn)一步加深學(xué)生對抽象的理論知識(shí)的理解和掌握，從而獲得良好的教學(xué)質(zhì)量和效果。同時(shí)，利用MATLAB仿真軟件協(xié)助開展電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)，便于復(fù)雜控制模塊的研究分析，并且能使抽象的理論知識(shí)更加形象化、直觀化，有助于學(xué)生擺脫純理論教學(xué)過程中的枯燥、煩瑣等問題。通過理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，可以幫助學(xué)生更加深入地理解電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)模塊的工作原理以及仿真模型的實(shí)現(xiàn)過程，從而提高學(xué)生解決與分析復(fù)雜工程問題的能力。

綜上所述，在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，探索MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)課程中的仿真教學(xué)方法，有助于高等教育改革創(chuàng)新，有助于推進(jìn)我國新型工業(yè)化進(jìn)程，為我國培養(yǎng)出具備解決與分析復(fù)雜問題能力、科技創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。

參考文獻(xiàn)

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[4] 胡朝燕，陳珍萍，李澤，等.基于Matlab的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].中國電力教育，2020，3（10）：87-89.

*基金項(xiàng)目：2021年度石河子大學(xué)校級過程性考核示范課程教改項(xiàng)目。

作者：許偉奇，石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，助教，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)控制以及容錯(cuò)控制策略；龔立嬌，通信作者，石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，博士，教授，研究方向?yàn)樾滦湍芰坎杉夹g(shù)、新能源發(fā)電、電能無線傳輸?shù)?；劉晨，石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制（832000）。