加強電力拖動控制實踐教學培養(yǎng)新工科學生創(chuàng)新能力

羅成名, 黃國銘, 張學武, 戴衛(wèi)力, 徐曉龍

(河海大學 物聯網工程學院, 江蘇 常州 213022)

為了深化工程教育改革,建設工程教育強國,教育部于2017年2月提出開展新工科研究與實踐[1]。創(chuàng)新型人才培養(yǎng)作為工科優(yōu)勢高校的重要任務,能夠提質升級制造業(yè)水平并推動中國制造向中高端發(fā)展[2]。結合我院自動化專業(yè)學生的培養(yǎng)目標,明確要求具有較強的創(chuàng)新意識和工程實踐能力,能夠解決生產、生活中復雜的控制工程問題[3]。電力拖動控制作為自動化系的專業(yè)骨干課,其控制對象——電機被廣泛應用于制造業(yè)及高新技術產業(yè)的各個環(huán)節(jié),對其進行新工科背景下的教學實踐創(chuàng)新具有重要意義[4],具體實踐環(huán)節(jié)及教學內容如圖1所示。本文在專題知識理論模型講授的同時,重點加強學生在實驗教學以及科技活動等方面的訓練,讓學生掌握理論知識的同時能夠靈活地運用。

圖1 電力拖動控制專題實踐教學

1 調速理論教學

圖2 運動載體調速控制

圖3 基于PI控制器的運動載體轉速反饋調速

2 實驗仿真教學

為了能夠更加直觀形象地認知運動載體轉速PI控制對調速性能的影響,在杭州力控科技有限公司HKKK-1型電力電子及電機拖動與運動控制實驗裝置上,指導學生搭建轉速PI控制直流調速,如圖4所示。

圖4 教學仿真設備搭建PI調節(jié)直流調速控制系統

轉速閉環(huán)實驗結果與轉速開環(huán)相比較,轉速開環(huán)時當增大給定電壓導致電樞電壓增加,使轉速上升并穩(wěn)定在1 200 rpm,通過減少負載電阻來增大負載電流,從而增加負載轉矩,轉速下降并最終到900 rpm,說明在負載擾動下開環(huán)系統存在轉速降落差；增加轉速反饋控制構成轉速閉環(huán)PI控制系統,同樣在轉速1 200 rpm時減少負載電阻增加負載轉矩,發(fā)現轉速基本穩(wěn)定在1 200 rpm,說明在負載擾動下閉環(huán)PI控制系統能夠使轉速穩(wěn)定,如圖5所示。

圖5 轉速PI控制與轉速開環(huán)控制結果

利用仿真軟件搭建轉速反饋電機調速PI控制系統,仿真實驗系統主要由電壓給定模塊、PI控制模塊、轉速反饋模塊以及電壓比較模塊等組成,如圖6所示。通過實驗和仿真進一步驗證了前述的理論分析和設計,發(fā)現其轉速在較短的調節(jié)時間到達穩(wěn)定的轉速,如圖7所示。轉速控制器主要有3種方式：比例調節(jié)、積分調節(jié)及比例積分。比例控制器取決于輸入偏差現狀,積分控制器包含輸入偏差全部歷史,其調節(jié)的實質在于：(1)比例控制器能夠快速響應；積分控制器只能逐漸變化；(2)比例控制器為有靜差調速；積分控制器為無靜差調速；(3)采用比例積分控制器,能夠快速響應,其穩(wěn)態(tài)精度高。

圖6 轉速反饋PI調節(jié)控制仿真模型

圖7 轉速反饋PI調節(jié)控制仿真數據

3 課外拓展訓練

本文主要講述PI調節(jié)直流調速控制,直流電機目前在學生競賽、科技作品中廣泛使用,圖8為學生采用步進電機來控制一個滾球系統。先用攝像頭檢測出滾球的當前位置,與預期滾球的位置進行比較,得出位置偏差送給PID1控制器,然后將輸出值作為平板期望的輸出角度值,與角度傳感器測量的當前值進行比較,得出角度偏差送給PID2控制器,輸出值用來控制電機,電機轉動使得平板的角度和滾球的位置發(fā)生移動,直至滾球進入指定區(qū)域位置,即最終滾球輸出為準確位置信息。采用以下步驟：(1)調速控制器結構采用PID串級控制；(2)參數整定先比例,再積分、后微分；(3)攝像頭檢測滾球位置與預設位置偏差給PID1,與角度傳感器測量當前值偏差給PID2控制器,來控制電機的運動。

圖8 基于PID控制器學生課外訓練

學生參與教師相關科研項目時需要電力拖動控制知識,包括機器人尋跡控制、機器人融合定位以及機器人地圖構建等科研活動,需要對機器人的航向、速度和位置進行精確控制,通過傳感器測量機器人的航向角、速度和位置參數,作為反饋值傳輸到控制器來實時調整輸入信號的幅值,采用電動機控制機器人沿著規(guī)劃好的路徑運動到預定位置[9-10]?；诶碚摻虒W結合實驗教學,通過課外拓展訓練幫助學生在電力拖動PI控制專題進行體驗式學習,從而促進理論理解與實際運用能力的提升,培養(yǎng)新工科學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力[11-12]。

4 結語

本文針對電力拖動控制PI專題的教學設計,以學生接觸的智能小車作為運動載體,設計了一條從問題引入—理論教學—實驗教學—拓展訓練的主線,注重理論與實踐相結合并逐步推進,激發(fā)學生的學習興趣,提高電力拖動控制的教學效果,讓學生在具體的工程實踐中掌握重點難點等相關知識,同時培養(yǎng)了新工科學生利用所學知識進行電力拖動控制的應用能力,使得學生能夠認識到自動化專業(yè)今后在工業(yè)物聯網或智能制造中就業(yè)和深造的重要性。作為一名高等院校的教師,要踐行立德樹人的使命,在立足課堂講好“一門課”這一系統工程的同時,做到教學與科研融合,通過自己的努力幫助學生成為更好的自己。