MATLAB仿真在電氣專業(yè)重點(diǎn)學(xué)科中輔助教學(xué)的探究

胡娜 劉德紅 陳媛 徐良雄

摘 要：高校工科類專業(yè)大都設(shè)置專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，其教學(xué)目的是通過(guò)課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)加強(qiáng)理論和實(shí)踐的結(jié)合，使學(xué)生掌握原理分析電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇及特性研究的基本要求和方法。然而，由于場(chǎng)地和設(shè)備的限制，電氣專業(yè)重點(diǎn)學(xué)科難以設(shè)置實(shí)踐環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)很容易與先進(jìn)的教學(xué)方法相結(jié)合，本文將MATLAB仿真教學(xué)結(jié)合電氣專業(yè)重點(diǎn)學(xué)科，提出設(shè)計(jì)的基本要求和過(guò)程，讓學(xué)生掌握更多的技能，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：課程設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)仿真 教學(xué)效果

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電氣學(xué)科綜合交叉的特點(diǎn)越來(lái)越明顯。加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)教育、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)、動(dòng)手能力訓(xùn)練和綜合素質(zhì)培養(yǎng)，已經(jīng)成為電氣學(xué)科人才培養(yǎng)的基本要求，也是當(dāng)代電氣學(xué)科高等教育的核心內(nèi)容。

本文將虛擬仿真技術(shù)引入到電氣專業(yè)的重點(diǎn)課程——《過(guò)程控制系統(tǒng)》、《電力系統(tǒng)分析》及《控制系統(tǒng)仿真技術(shù)》的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)這三門重點(diǎn)課程進(jìn)行分析，尤其對(duì)于《過(guò)程控制系統(tǒng)》設(shè)計(jì)出主要的教學(xué)情境及教學(xué)方法，結(jié)合具體的教學(xué)過(guò)程與教學(xué)效果，得出比較合理的教學(xué)方案[1，2]。

2 MATLAB仿真在《過(guò)程控制系統(tǒng)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

目前對(duì)《過(guò)程控制系統(tǒng)》的教學(xué)改革在逐步進(jìn)行，不斷加強(qiáng)實(shí)踐和理論相結(jié)合，不僅要求學(xué)生在課堂上學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)，而且提倡學(xué)生豐富自己的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解。

《過(guò)程控制系統(tǒng)》的實(shí)踐環(huán)節(jié)各個(gè)學(xué)校不盡相同，比較有代表性的題目有“雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，“雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，“異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等，基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐就是將實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬成工業(yè)設(shè)備，將課程設(shè)計(jì)作為工程設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)室要完成電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算、元器件選擇、動(dòng)靜態(tài)特性分析、設(shè)計(jì)說(shuō)明、設(shè)計(jì)小結(jié)等任務(wù);要完成電路組成、參數(shù)測(cè)定、系統(tǒng)仿真調(diào)試和故障診斷等任務(wù)。

現(xiàn)在以“雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)”為課程設(shè)計(jì)課題說(shuō)明設(shè)計(jì)的過(guò)程及其要求。

2.1 電路設(shè)計(jì)及電路繪制

結(jié)合電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)，完成V-M系統(tǒng)主電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路，完成電流、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制電路，并應(yīng)用電氣CAD完成電路的繪制。

電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，繪圖應(yīng)滿足GB4728，這一環(huán)節(jié)不僅讓學(xué)生具有基本的設(shè)計(jì)能力，同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用電氣CAD計(jì)算機(jī)繪制的能力。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)定

為了構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行特性分析，必須應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)實(shí)際V-M系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，測(cè)定的參數(shù)主要有電樞回路總電阻RΣ（其中包括整流裝置的內(nèi)阻RN，電抗器電阻RL，電動(dòng)機(jī)的電樞電阻Ra等）、電動(dòng)機(jī)的電磁系數(shù)Ce，電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)TL，系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，電流反饋系數(shù)β，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2等。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)測(cè)定參數(shù)時(shí)，要電路及測(cè)定方式正確，每一個(gè)參數(shù)要測(cè)定3次，取平均值為測(cè)定結(jié)果，所有測(cè)定儀器儀表，與記錄儀要有合理的精度。

2.3 系統(tǒng)建模與工程設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)已知的參數(shù)和測(cè)定的參數(shù)，可以方便地建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，為了確保系統(tǒng)具有良好的特性，并克服系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)的矛盾，通常采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行串聯(lián)校正。

要求應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通常電流環(huán)ACR采用典型I型系統(tǒng)，保證其具有良好地跟隨性。轉(zhuǎn)速還ASR采用典型Ⅱ型系統(tǒng)，保證其有良好的抗干擾性，最終要完成調(diào)節(jié)器ACR、ASR的參數(shù)計(jì)算。通過(guò)系統(tǒng)建模與校正，學(xué)生掌握系統(tǒng)分析的基本方法和改善系統(tǒng)性能的基本方法，充分理解如何應(yīng)用控制理論法解決實(shí)際系統(tǒng)的問(wèn)題。

2.4 系統(tǒng)仿真及參數(shù)修改[3，4]

采用雙閉環(huán)控制的V-M系統(tǒng)，采用工程設(shè)計(jì)是在一定的條件下得到的，如果用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真，并根據(jù)MATLAB仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的修改和調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計(jì)課題的要求。

在按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的影響，在電流環(huán)的仿真模型中，可以把反電動(dòng)勢(shì)的影響考慮進(jìn)去，這樣可以得到更真實(shí)的仿真結(jié)果。通過(guò)觀察PI參數(shù)對(duì)跟隨性能指標(biāo)的影響趨勢(shì)，可以獲取符合工程要求的更合理參數(shù)。利用轉(zhuǎn)速仿真模型同樣可以對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾過(guò)程進(jìn)行仿真，它是任何負(fù)載電流IdL的輸入端加上負(fù)載電流，獲得在空載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)突加額定負(fù)載的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線。

通過(guò)MATLAB仿真，可以靈活修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到系統(tǒng)得到滿意的結(jié)果。

2.5 運(yùn)行分析

根據(jù)MATLAB仿真結(jié)果完成參數(shù)修改以后的系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行，通過(guò)儀器儀表和記錄儀測(cè)取系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)參數(shù)，綜合比較其性能指標(biāo)，給出運(yùn)行分析結(jié)果。

2.6 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明

在完成上述各環(huán)節(jié)任務(wù)后，可以結(jié)合設(shè)計(jì)要求完成設(shè)計(jì)說(shuō)明的撰寫(xiě)，詳細(xì)說(shuō)明整個(gè)課程設(shè)計(jì)的思路、步驟、計(jì)算、仿真的結(jié)果及運(yùn)行分析，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)小結(jié)談自己的實(shí)際體會(huì)、收獲和存在改進(jìn)的問(wèn)題。

3 MATLAB仿真在《電力系統(tǒng)分析》課程教學(xué)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)分析仿真是將整個(gè)電力系統(tǒng)看作由母線、變壓器和輸電線路所構(gòu)成的有源電力網(wǎng)絡(luò)，該數(shù)學(xué)模型成為計(jì)算和研究電力系統(tǒng)潮流、短路和穩(wěn)定問(wèn)題的基礎(chǔ)。

如果用真實(shí)的電網(wǎng)來(lái)檢驗(yàn)，不現(xiàn)實(shí)，而單純進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算，花費(fèi)時(shí)間太多，教學(xué)效率極低。利用MATLAB仿真電力網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電力網(wǎng)絡(luò)可以用節(jié)點(diǎn)方程式或回路方程式表示出來(lái)。在節(jié)點(diǎn)方程式中表示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變量是各節(jié)點(diǎn)的電壓，在回路方程式中是各回路中的回路電流。在進(jìn)行短路故障計(jì)算時(shí)，MATLAB仿真可以根據(jù)需要對(duì)不同處的電壓和電流進(jìn)行計(jì)算。潮流計(jì)算時(shí)，需要建立電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以及導(dǎo)納型節(jié)點(diǎn)方程表示的數(shù)學(xué)模型，將節(jié)點(diǎn)流入電流用功率和電壓表示，求解之前，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件將節(jié)點(diǎn)分為PQ節(jié)點(diǎn)、PU節(jié)點(diǎn)、平衡節(jié)點(diǎn)，平衡節(jié)點(diǎn)只設(shè)一個(gè)。引入定解條件后，便得到潮流計(jì)算用的一組非線性方程。MATLAB仿真的引入，不僅有利于探究型課堂的開(kāi)展，也有利于學(xué)生計(jì)算機(jī)實(shí)踐能力的提高，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)設(shè)計(jì)。

4 MATLAB仿真在《控制系統(tǒng)仿真技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

對(duì)于《控制系統(tǒng)仿真技術(shù)》常用的仿真軟件為MATLAB/SIMULINK，SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時(shí)它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速度的系統(tǒng)仿真。將MATLAB仿真軟件引用到課堂教學(xué)中去，首先建立控制系統(tǒng)模型，然后在控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的參數(shù)，并參照要求不斷優(yōu)化系統(tǒng)。

5 結(jié)論

在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)、本專業(yè)最新技術(shù)和企業(yè)需求，借助MATLAB虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)出最適合的教學(xué)情境，在最大化的節(jié)約教學(xué)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于電氣專業(yè)的重點(diǎn)學(xué)科的教學(xué)中，創(chuàng)造出適合不同課程的虛擬仿真環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法有機(jī)融合，提高教學(xué)效果。

基金項(xiàng)目：武漢科技大學(xué)城市學(xué)院2018教學(xué)研究項(xiàng)目《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助教學(xué)的改革與實(shí)踐》（項(xiàng)目編號(hào)：2018CYYBJY026）。

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