MATLAB在電氣自動(dòng)化專業(yè)多課程融合仿真教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、自動(dòng)控制原理和電力電子技術(shù)是電氣自動(dòng)控制專業(yè)的必修課，利用MATLAB仿真軟件將教學(xué)中相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)結(jié)合起來，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高他們處理實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：電機(jī)與拖動(dòng) 自動(dòng)控制原理 電力電子技術(shù) MATLAB仿真 教學(xué) 融合

中圖分類號(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-9082（2019）05-0-01

一、引言

電機(jī)拖動(dòng)、自動(dòng)控制原理和電力電子技術(shù)是電氣自動(dòng)控制專業(yè)的必修課。通常情況下，兩門課是相互獨(dú)立進(jìn)行的，學(xué)生學(xué)習(xí)到的是孤立的知識(shí)點(diǎn)，沒有一個(gè)全局的概念。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)成績優(yōu)良的學(xué)生接到實(shí)際的研究課題時(shí)，不會(huì)應(yīng)用控制理論解決實(shí)際問題[1]。于是我們探索將幾門課相結(jié)合的教學(xué)方法，利用MATLAB軟件在教學(xué)中將實(shí)際電機(jī)的控制過程與抽象的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成的系統(tǒng)控制工程相對(duì)照，讓學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高他們處理實(shí)際問題的能力。

二、MATLAB簡介

基于框圖仿真平臺(tái)的Simulink以MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能為基礎(chǔ)，以直觀的模塊框圖對(duì)各種系統(tǒng)進(jìn)行仿真和計(jì)算[2]。MATLAB/Simulink及Simpowersystems通過模塊化的圖形進(jìn)行建模，從而完成模型的構(gòu)建，而不用考慮模塊內(nèi)部的工作，設(shè)計(jì)者能夠較輕松地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模與仿真。

三、直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)控制建模

1直流電動(dòng)機(jī)建模

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)平衡方程有，其中Ea=CEn，CE為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，CM為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，T=T0+T2=TZ，其中T0=Cfn，Cf為摩擦系數(shù)。

根據(jù)拉氏變換規(guī)則可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

利用Simulink建立直流電動(dòng)機(jī)模型，如圖1[3]。

同時(shí)，在Simpowersystems工具箱中有直流電動(dòng)機(jī)模型。利用Simpowersystems工具箱可以建立圖2所示的直接起動(dòng)電路模型。

2直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行仿真

直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)電路工作時(shí)，從空載起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行運(yùn)行，然后增加負(fù)載到再次穩(wěn)速運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)速將先增加至穩(wěn)定值，然后下降直至再次穩(wěn)定。運(yùn)行圖1模型得到圖3（a）波形，運(yùn)行圖2模型得到圖3（b）波形。

由波形可以看出，兩種模型得出的轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律是一致的，可以反映實(shí)際電機(jī)的響應(yīng)。由于開環(huán)無法起到調(diào)節(jié)作用，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載大小發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨之而升降。

3直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制

單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)可以在一定程度上解決轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的問題。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，適當(dāng)升高電源電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)上升。仿照晶閘管整流電路的原理，我們建立了負(fù)反饋調(diào)壓模型。根據(jù)Ud=U0cosα，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，負(fù)反饋電路使α減小，相應(yīng)提高電源電壓[4]。圖4給出采用PI調(diào)節(jié)器控制的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制仿真模型。

由自動(dòng)控制原理的知識(shí)可知，當(dāng)采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制時(shí)，適當(dāng)選擇比例、積分參數(shù)系統(tǒng)可以在負(fù)載變化時(shí)消除靜差。但是由于積分環(huán)節(jié)的加入使得系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間增加。圖5給出仿真模型和仿真結(jié)果。

結(jié)語

通過利用MATLAB仿真軟件對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建立在基本原理基礎(chǔ)上的建模、仿真，將電機(jī)與拖動(dòng)、自動(dòng)控制原理及電力電子技術(shù)，三門相互聯(lián)系又彼此的專業(yè)課，通過課題模塊的形式進(jìn)行融合，突破了知識(shí)體系的桎梏，把理論遷移到實(shí)踐中。這樣做有利于加深學(xué)生對(duì)理論的理解，開拓了思路，提高了綜合應(yīng)用能力;同時(shí)還彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少、實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法及時(shí)更新導(dǎo)致的欠缺，對(duì)于應(yīng)用技術(shù)型人材的培養(yǎng)起到了促進(jìn)作用。

將仿真軟件與課堂理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，倡導(dǎo)一種基于仿真平臺(tái)的”電力電子技術(shù)”教學(xué)與實(shí)踐的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段和方法的創(chuàng)新是我們的努力方向。

參考文獻(xiàn)

[1]涌井深二，橋本誠司，高梨宏之，中村幸紀(jì)等.控制技術(shù)基礎(chǔ)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2016：1.

[2]顧春雷，陳中.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：90.

[3]王正林，王勝開，陳國順，王祺.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真（第四版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：94-97.

[4]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.北京：2010：48-60.

作者簡介：蘇曉鷹（1971-），女，漢族，工程碩士，遼寧沈陽人，講師，主要研究方向電力電子與電力傳動(dòng)。