“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用＊

張志華，李 琦，李伯群，石 峻

（遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

1 引言

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。該課程以交、直流電機(jī)為控制對(duì)象，綜合了自動(dòng)控制原理、電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等多門課程知識(shí)于一體，以實(shí)現(xiàn)對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)的控制，具有知識(shí)面寬、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)、實(shí)際工程要求高的特點(diǎn)。通過其實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以驗(yàn)證各類調(diào)速系統(tǒng)理論的正確性，幫助和鞏固學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解和吸收。實(shí)驗(yàn)過程中也會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的能力。

在“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了改變其教學(xué)內(nèi)容的枯燥和局限，緩解實(shí)驗(yàn)硬件資源緊張、易于損壞等不足，提高其系統(tǒng)展示和創(chuàng)新開發(fā)的能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革已成為高校特別是應(yīng)用型本科院校教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)之一?？紤]仿真實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)不受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、設(shè)備等條件的限制，尚麗等[1]基于MATLAB 中Simulink 仿真技術(shù)和GUI 界面設(shè)計(jì)，開發(fā)設(shè)計(jì)了可視化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，幫助學(xué)生直觀了解實(shí)驗(yàn)過程。劉繼光等[2]針對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)，提出了模擬仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的新模式。劉漢忠等[3]認(rèn)為MATLAB仿真技術(shù)也可以融入課堂理論教學(xué)和課程設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜抽象運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)的理解，以提升教學(xué)效果?？梢姡抡婕夹g(shù)引入可以實(shí)現(xiàn)從強(qiáng)調(diào)針對(duì)性的專業(yè)教育向突出適應(yīng)性的工程基礎(chǔ)教育的轉(zhuǎn)變[4]。

從創(chuàng)新型和工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要出發(fā)，為了打造學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的教學(xué)環(huán)境，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中建立并應(yīng)用其實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)?；诜抡嫫脚_(tái)，可以更好地進(jìn)行交直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生掌握一套完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的理論體系，并具備初步的工程設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力。

2 存在問題

目前，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多依托于各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中內(nèi)容進(jìn)行操作，完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其主要存在以下幾個(gè)問題。

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新困難化和操作模塊化

首先，課程的知識(shí)點(diǎn)隨著技術(shù)發(fā)展不斷更新，可實(shí)驗(yàn)設(shè)備一旦建立通常難以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行升級(jí)更新，內(nèi)容相對(duì)落后，難以滿足現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。其次，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備模塊化使學(xué)生通常都是對(duì)著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連線，按照給定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。一堂實(shí)驗(yàn)課下來，除了線路連接和參數(shù)測(cè)試，課程的知識(shí)點(diǎn)很多沒有強(qiáng)化鞏固和深入理解，未對(duì)課程的學(xué)習(xí)起到幫助和促進(jìn)作用。再次，實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)數(shù)比較有限，難以考察每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，且設(shè)備器件較易損壞，維護(hù)較困難。

2.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示不夠方便直觀

該門課程涉及的已修課程知識(shí)較多，且比較抽象和復(fù)雜，因此學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的難度比較大、理解困難。受場(chǎng)地、時(shí)間和設(shè)備等限制，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)難以讓學(xué)生更加方便、直觀地觀察到系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試過程中各個(gè)參數(shù)的變化情況，理解控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的不同影響，因此學(xué)生不能獲得更好的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)。

2.3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新開發(fā)受限

受實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件和軟件的限制，學(xué)生難以在其上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)速系統(tǒng)的新改進(jìn)或新型調(diào)速系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)與工程創(chuàng)新。并且從安全角度考慮，難以在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行極端條件下的分析與設(shè)計(jì)，又進(jìn)一步限制了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力。

因此，實(shí)驗(yàn)過后學(xué)生不能很好地理解和掌握交直流調(diào)速系統(tǒng)的理論知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，更難以進(jìn)行工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3 仿真技術(shù)的應(yīng)用

MATLAB 的電力系統(tǒng)工具箱 PSB（Power System Blockset）具有強(qiáng)大的功能，以Simulink 為運(yùn)行環(huán)境，由電源模塊庫、元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機(jī)模塊庫、連接器模塊庫、測(cè)量模塊庫、附加模塊庫組成，包括了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電氣工程學(xué)科中常用的基本元件模型，這些器件能夠反映相應(yīng)實(shí)際元器件的電氣特性，系統(tǒng)搭建方便，適用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真教學(xué)中[2]。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，用MATLAB/Simulink 仿真軟件搭建的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。從課前設(shè)計(jì)、課上驗(yàn)證，到實(shí)踐開發(fā)等方面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

仿真平臺(tái)除了包含傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中單閉環(huán)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型外，考慮到目前人工智能方法的廣泛應(yīng)用，分別采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制設(shè)計(jì)PID 控制器，進(jìn)行雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，以利于學(xué)生對(duì)先進(jìn)控制方法的掌握和理解，進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行智能創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.2 基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

基于MATLAB/Simulink 仿真軟件，構(gòu)建了各類典型的交直流調(diào)速系統(tǒng)。在此平臺(tái)框架基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)各個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的圖形用戶界面GUI，實(shí)現(xiàn)可視化教學(xué)。計(jì)算機(jī)仿真由于不受時(shí)間和空間的限制，可方便進(jìn)行開放式教學(xué)。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書要求和內(nèi)容，在每個(gè)典型系統(tǒng)界面上比較方便地設(shè)置和修改系統(tǒng)的控制參數(shù)，快速直觀地觀察到不同控制參數(shù)下轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩、磁鏈等響應(yīng)曲線變化過程，了解PID 控制各個(gè)參數(shù)對(duì)輸出響應(yīng)的不同影響，進(jìn)而不斷調(diào)整并找到控制器的最佳參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)先模擬。當(dāng)然，學(xué)生可直接利用平臺(tái)建好的仿真模型，也可以根據(jù)平臺(tái)提供的仿真模型構(gòu)建的指導(dǎo)書自己建立仿真模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)研究。通過仿真系統(tǒng)搭建與模擬，學(xué)生對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理，以及系統(tǒng)各個(gè)部分知識(shí)點(diǎn)有了更加深入的了解。

實(shí)驗(yàn)前得到調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)后，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以根據(jù)已有的仿真模型，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)物連接和搭建，按照仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，并根據(jù)獲得響應(yīng)曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的進(jìn)一步校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的更好控制。借助仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生除了可以較為容易實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析外，可以避免由于一些誤操作對(duì)實(shí)際設(shè)備的損壞，同時(shí)還可以進(jìn)行比較極端條件下的實(shí)驗(yàn)研究與分析，減小人身傷害，提高安全系數(shù)。

3.3 基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

為了縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期、減少工程開發(fā)成本，鼓勵(lì)學(xué)生在仿真平臺(tái)上進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的開發(fā)和創(chuàng)新。學(xué)生根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設(shè)計(jì)要求，基于平臺(tái)中已有的典型調(diào)速系統(tǒng)，選定調(diào)速設(shè)計(jì)方案，依據(jù)工程設(shè)計(jì)法建立待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真模型，不斷調(diào)試設(shè)計(jì)效果滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，得到設(shè)計(jì)方案的控制參數(shù)。進(jìn)行實(shí)際的工程測(cè)試時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況適當(dāng)調(diào)整控制參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。

工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)前，進(jìn)行仿真模擬設(shè)計(jì)是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)?；贛ATLAB/Simulink 仿真軟件建立交直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，不僅降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)自由，而且也便于學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，參數(shù)調(diào)整方便，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)陳舊和照搬硬套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等不足，使學(xué)生更加直觀地了解電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解和熟練掌握，便于學(xué)生以平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的工程仿真設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。

4 結(jié)語

通過開展實(shí)驗(yàn)的仿真教學(xué)，采用MATLAB 仿真軟件建立運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形象直觀地展現(xiàn)抽象復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的理論，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)課堂知識(shí)的深入理解、消化吸收的目的；同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的方法和先進(jìn)控制理論，在此平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和綜合的能力，有助于高素質(zhì)的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。