基于MATLAB仿真的《機(jī)電傳動與控制》的教學(xué)改革

黃敏 陳豐 張華 張新偉

【摘要】通過分析機(jī)電傳動與控制課程的教學(xué)中存在的一些問題，知識點抽象、課堂演示困難、實驗學(xué)時少、缺乏創(chuàng)新型、設(shè)計型實驗及實驗資源有限等問題，在教學(xué)中引入MATLAB/Simulink仿真軟件激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性，提高本課程的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】MATLAB仿真 機(jī)電傳動與控制 教學(xué)改革

【基金項目】安徽省省級重大教學(xué)研究項目《應(yīng)用型本科高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、社會責(zé)任教育、實踐教育‘三位一體教學(xué)改革探索與實踐》（項目編號：2016jyxm0237）；安徽省省級一般教學(xué)研究項目《基于PDCA質(zhì)量循環(huán)理論的應(yīng)用型本科專業(yè)教育質(zhì)量學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建》 （項目編號：2016jyxm0251）；安徽省省級質(zhì)量工程項目《機(jī)械電子工程專業(yè)卓越工程師教育培養(yǎng)計劃》（項目編號：2015zjjh021）。

【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）13-0222-02

1.引言

《機(jī)電傳動與控制》是機(jī)械電子工程專業(yè)的一門重要的核心課程。本課程主要內(nèi)容分為機(jī)電傳動系統(tǒng)驅(qū)動元件、機(jī)電傳動系統(tǒng)控制兩部分，包括直流電機(jī)、交流電機(jī)、控制電機(jī)和傳動控制的基礎(chǔ)理論，控制電器和繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，電力半導(dǎo)體器件，直流電動機(jī)以及步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)等，其目的就是學(xué)習(xí)和掌握常見機(jī)電系統(tǒng)中的傳動與控制技術(shù)。該課程綜合了機(jī)械、電子、控制三大技術(shù)領(lǐng)域的知識，以機(jī)電系統(tǒng)為對象搭建控制系統(tǒng)，是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。而MATLAB中的Simulink環(huán)境可以根據(jù)需要搭建框圖建立系統(tǒng)的仿真模型，解決課堂上演示電機(jī)的啟動、調(diào)速、制動原理就變得輕而易取了，有利于提高學(xué)生對理論的理解和應(yīng)用。

2.傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足

首先，傳統(tǒng)的教學(xué)模式采用課堂教學(xué)與實驗教學(xué)結(jié)合的方式。在課堂教學(xué)中，由于采用板書與多媒體相結(jié)合的方式，課程的信息量大大增加了，使得學(xué)生仍處于被動的接受狀態(tài)，不利于學(xué)生理解復(fù)雜抽象的理論知識。機(jī)電傳動與控制實驗所需的儀器設(shè)備體積質(zhì)量都比較大、難以用于課堂演示，使得課堂教學(xué)中效果不理想。其次，本課程實驗課時偏少、實驗類型單一。由于總的教學(xué)課時被壓縮，相應(yīng)的實驗課時也被適當(dāng)?shù)臏p少，目前安徽科技學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本課程共48學(xué)時，其中理論40學(xué)時，實驗8學(xué)時。相對于所需要的課時，由于課時減少讓課程顯得很緊促，這大大影響了教學(xué)質(zhì)量?，F(xiàn)在，教學(xué)中的實驗主要以原理驗證性實驗為主，實驗類型比較初級，缺乏創(chuàng)新和設(shè)計性的綜合實驗，這與本課程設(shè)計的理念和現(xiàn)實工作的需要不相符。第三，相對有限的實驗設(shè)備，學(xué)生人數(shù)比較多，使得實驗課程的安排比較緊張、靠后。一般情況下，理論知識講完很長時間后相應(yīng)的實驗才開始，實驗課程收不到預(yù)期的效果。在實驗課中，一般5-6人一組，每組只有1-2人在做實驗，很多學(xué)生沒有做實驗的興趣，上實驗課只是完成一項任務(wù)，存在渾水摸魚的現(xiàn)象。最終學(xué)生失去上實驗課的興趣，進(jìn)而影響教學(xué)的效果。

針對以上存在的教學(xué)問題，授課教師可在教學(xué)過程中引入MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行實例仿真輔助教學(xué)。美國The Math Works公司推出的 MATLAB語言一直是國際科學(xué)界應(yīng)用和影響最廣泛的三大計算機(jī)數(shù)學(xué)語言之一。在控制類學(xué)科中，MATLAB語言更是科學(xué)研究者首先的語言。MATLAB下提供的Simulink提供的模塊包括一般線性、非線性控制系統(tǒng)所需的模塊，也有更高層次的模塊，例如電氣系統(tǒng)模塊集中提供的電機(jī)模塊、SimMechanics提供的剛體及關(guān)節(jié)模塊等，這使得用戶可以輕易地對感興趣的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出希望的結(jié)果[1]。該軟件具有高效的數(shù)值處理、可視化建模和實時控制的原始內(nèi)核，已成為適應(yīng)多學(xué)科領(lǐng)域的不可或缺的研究平臺和教學(xué)工具傳統(tǒng)教學(xué)模式無法滿足該課程教學(xué)的需求。[2]因此將課程中涉及到的電和控制等方面的抽象知識通過Simulink仿真形象地表達(dá)出來，是本課程教學(xué)中值得探討的課題。

3.Simulink仿真的應(yīng)用

啟動Simulink仿真，建立異步電動機(jī)拖動系統(tǒng)的仿真模型，可直觀獲得信號的動態(tài)變化過程和穩(wěn)態(tài)參量，為電機(jī)拖動的研究和教學(xué)提供便利。[3] 建立三相鼠籠式異步電動機(jī)的直接啟動模型如圖1所示。所選電機(jī)參數(shù)如下：額定功率3.73kW，線電壓460V，頻率60Hz，定子電阻0.087Ω，漏感0.8mH，轉(zhuǎn)子電阻0.028Ω，漏感0.8mH，定轉(zhuǎn)子互感34.69mH，轉(zhuǎn)動慣量1.662kg·m 2，摩擦系數(shù)為0，電機(jī)極對數(shù)P=2。三相對稱交流電源相位互差120°，幅值為380V；三相異步電動機(jī)，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩20N·m。三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2-a所示，在電機(jī)啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩是震蕩的，穩(wěn)定時與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等為20N·m；電機(jī)的轉(zhuǎn)速從0開始上升，最終到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，整個過程清晰可見。人為將輸入電壓調(diào)整為380V并保持其它參數(shù)不變，仿真后可以得到人為機(jī)械特性如圖2-b所示?？梢缘贸霎?dāng)電源電壓降低后，機(jī)械特性由圖2-a向左平移，最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩下降，但是穩(wěn)定運行時的電磁轉(zhuǎn)矩不變。

圖1三相異步電機(jī)機(jī)械特性的仿真模型

a.固有機(jī)械特性 b.改變定子電壓時人為機(jī)械特性

圖2 三相異步電機(jī)機(jī)械特性曲線

在教學(xué)過程中，教師需要提前搭建好仿真模型。然后在課堂上先對三相異步電機(jī)的固有機(jī)械特性、人為特性理論知識進(jìn)行講解；在講解的過程中由電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)公式T=K■以及最大轉(zhuǎn)矩公式Tmax=K■[4]可以得到的結(jié)論是：降低電源電壓時，理想空載轉(zhuǎn)速n0和臨街轉(zhuǎn)差率sM不變，但是最大轉(zhuǎn)矩Tmax與U2成正比，所以最大轉(zhuǎn)矩大大減小，因此在繪制降低電源電壓的人為機(jī)械特性時，以固有機(jī)械特性為基礎(chǔ)，在不同的轉(zhuǎn)差率處，取固有機(jī)械特性上對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩乘以降低電壓與額定電壓比值的平方即可得到認(rèn)為特性曲線。接著再通過課前搭建好的仿真模型進(jìn)行演示，通過示波器或X-YGraph學(xué)生可清晰看到電動機(jī)啟動過程中轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的變化；并現(xiàn)場修改電機(jī)某一參數(shù)同時其他參數(shù)保持不變來得到該電動機(jī)的人為特性曲線，并與固有特性曲線進(jìn)行比較，與公式推導(dǎo)相比這里可以更形象地觀察到最大轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)矩所發(fā)生的變化，增強(qiáng)學(xué)生的身臨其境的感受，有利于學(xué)生對理論知識的理解。除此之外，本課程中還有很多可以進(jìn)行仿真教學(xué)的案例，比如直流電機(jī)的串級啟動、能耗制動，三相異步電機(jī)的能耗制動、反接制動等等，在合適的場合引入仿真教學(xué)案例以彌補(bǔ)目前教學(xué)中的一些不足，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識進(jìn)一步進(jìn)行探索，提升創(chuàng)新能力，最終提高本課程的教學(xué)效果。

4.總結(jié)

仿真教學(xué)并不能取代真實實驗環(huán)境給學(xué)生帶來的影響，在教學(xué)過程中對仿真案例的選擇要慎重，只有在合適的節(jié)點插入相應(yīng)的仿真案例才能取得良好的教學(xué)效果。本文通過分析本校機(jī)械電子工程專業(yè)《機(jī)電傳動與控制》課程目前的教學(xué)模式，針對教學(xué)過程的不足，運用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建電機(jī)運行的系統(tǒng)框圖，更形象地展示本課程相對應(yīng)的知識點，通過實踐本課程的課堂教學(xué)效果得到了改善，同時學(xué)生反饋學(xué)習(xí)積極性高了，課堂氣氛也更加活躍。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛定宇著.《控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計——MATLAB語言與應(yīng)用》（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]徐志佳.基于MATLAB的機(jī)電傳動控制的仿真教學(xué)[J].貴陽學(xué)院學(xué)報，2014，9（3）：69-71.

[3]羅松江，劉毅.基于Simulink的異步電機(jī)電力拖動系統(tǒng)動態(tài)仿真[J]. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報，2011，24（2）：64-66.

[4]馮秀清，鄧星鐘等編著.《機(jī)電傳動控制》（第五版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

作者簡介：

黃敏（1985- ），女（漢族），安徽鳳陽人，安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助教，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。