《電機與拖動基礎》試驗實施應用型教學的探索

朱云國 尹愛勇 江春紅

（1.合肥工業大學，安徽 合肥 230009；2.銅陵學院，安徽 銅陵 244000；3.安徽工業大學，安徽 馬鞍山 243000）

《電機與拖動基礎》試驗實施應用型教學的探索

朱云國1，2尹愛勇3江春紅2

（1.合肥工業大學，安徽 合肥 230009；2.銅陵學院，安徽 銅陵 244000；3.安徽工業大學，安徽 馬鞍山 243000）

電機與拖動基礎的學習過程中，做實驗是理論學習的補充和拓展。文章針對傳統實驗的不足，首先分析了仿真實驗的必要性以及軟件的實現方法；通過舉例分析了運用MATLAB進行電機與拖動仿真實驗的可行性和優越性。

電機與拖動基礎；MATLAB；仿真實驗

1 .前 言

現代化的生產過程中，電機擔負著機電能量轉換的重要任務，在各個領域得到廣泛的應用，它支撐著工農業生產、交通運輸和國防建設的正常運行。電機與拖動基礎是用來指導電機系統分析和設計的，它已經成為許多行業技術人員必備的知識。因此，為了滿足社會的需求，培養出優秀的科技人才，銅陵學院自動化專業和機電一體化專業的學生必須加強對“電機與拖動基礎”這一專業基礎課的學習。“電機與拖動基礎”的課程特點是具有強的理論性又相對較抽象，這種綜合性給學生的理解帶來很大的困難，需要借助實驗加深對課堂學習內容的理解、培養學生創新能力。但銅陵學院開設的該課程實驗，仍處于傳統實驗階段，實驗內容沒有從模塊化、系統化的角度整體考慮，學生以被動接受為主，忽視了學生作為學習主體的地位，不利于學生主動獲取知識能力的培養，使學生缺乏創新等能力。另外，實驗平臺臺套數緊張，難以滿足日益擴大的招生規模的需求，實驗平臺的建設需要大量的資金投入，但因資金和實驗室面積有限，隨著招生規模的進一步擴大，這種窘迫情況勢必更加嚴重。電機拖動基礎實驗學時較少，要想在有限學時里鞏固和掌握課堂內容，顯然是很困難的。而采用軟件仿真實驗替代硬件實驗的辦法，學生可以在個人電腦上進行仿真實驗，將為學生進行自主實驗、綜合實驗和創新實驗提供廣闊的發展空間。使用Matlab仿真實驗與傳統實驗手段相結合，互相彌補，使實驗內容形象直觀，易于理解;實驗過程更生動清晰，提高了實驗效率，激發了學生學習的主動性。

2 .MATLAB Simulink概述

MATLAB 是著名數學軟件，憑借強大的計算能力，已經發展成一種具有廣泛前景的、全新的計算機高級編程語言，人稱它為“第四代”計算機語言，當前已成為美國和其他發達國家大學本科生、碩士生、博士生必備工具。它不但有很好的助學性能，而且有很好的教學性能，在我國很多教師和學生正逐步將MATLAB作為重要的仿真工具。

在MATLAB中的Simulink工具箱提供了系統模型圖形輸入與仿真工具，為準確建立系統模型和進行仿真分析提供了開發式的體系結構。Simulink為動態系統設計開發提供直觀的、圖形化的仿真環境，MATLAB為數據分析、可視化與算法開發提供強大的計算能力，它們共同建立了一個靈活的、綜合的、有豐富特性的動態系統設計環境，為用戶對這一平臺進行擴展或開發自己的工具提供了豐富技術支持。

（1）可視化建模。Simulink建模時是可視化的，只需在Simulink圖塊元件庫中選擇合適的模型塊拖放到Simulink建模窗口就可迅速建立動態系統的框圖模型。Simulink圖塊元件庫可用于構成各種不同種類的動態系統。

（2）設計及模擬快速、準確。Simulink優秀的積分算法給非線性系統仿真帶來了極高的精度。先進的常微分求解器可用于求解剛性的和非剛性的系統、具有事件觸發或不連續狀態的系統和具有代數環的系統。Simulink的求解器能確保連續系統或離散系統的仿真高速、準確地進行。同時，Simulink還為用戶準備一個圖形化的調試工具輔助用戶進行系統開發。

（3）交互式的仿真分析。Simulink的示波器可以動態、圖形化的顯示數據，能夠在仿真運算過程中隨時監視仿真結果。Simulink的交互仿真使假設分析簡單易行，運行中可隨時改變模型參數并立刻觀察改動結果。由于Simulink完全集成于MATLAB，在Simulink下計算的結果可保存到MATLAB的工作空間中，因而還能使用MATLAB所具有的眾多分析、可視化及工具箱工具操作數據。

3 .基于MATLAB的仿真試驗

3.1MATLAB軟件的語言入門要求低MATLAB中的編程是一個單一的易學易用的環境，編輯器可以將MATLAB語言編寫的m文件自動轉換成C或C++文件，支持用戶進行獨立的應用開發。可以進行傳統實驗所不能進行的綜合性的實驗。MATLAB作為計算工具具有明顯的優勢，其編程風格與實際問題的分析十分的接近，編程語言接近數學語言，在當今科學及計算領域內居于領先地位，是當今工程技術人員必須掌握的工具軟件。下面以交流磁路電流畸變分析為例，仿真分析：

（1）磁通Φ與電流I之間的關系Φ=f（I）；

（2）分析磁通Φ與時間t之間的關系Φ=f（t）；

（3）通過上述對應關系確定電流I和時間t之間的關系I= f（t），這就是電流的畸變規律。

已知交流磁路磁化數據如表1所示：

表1 某交流磁路磁化數據

在MATLAB中編程如圖1所示，用spline函數，根據樣點數據求勵磁電流對應的樣條插值，就是根據樣點數據（I，Ψ），求對應于Ψ數據的插值I。spline函數三次樣條插值，屬于插值精度很高的方法。

圖1 MATLAB中的m文件

圖2 MATLAB仿真中的輸出波形圖

3.2隨意改變模塊參數首先學生在做傳統的實驗時，面對的是各個實驗環節，對復雜控制電路往往不知所措，只是依據給定的電路進行接線；對于控制系統的參數，不知如何調整，而是胡亂地調節電位器值和電容值，很容易造成控制電路和電機的損壞；更不知調整的參數對應系統的哪些具體參數，顯然不會對課堂學習的內容加深理解，這使得學生對實驗不感興趣；另外實驗設備高度集成，可擴展性差，難以開展綜合性實驗；MATLAB Simulink進行仿真時，具有一個無論是用在教學中還是用在研究中都非常優秀的特點：可以改變各個模塊的參數，然后通過示波器立即觀察由于參數改變而引起的系統變化。這個特點可以進一步提高學生討論和思考問題的積極性，能引導學生進一步研究復雜問題中不同參數在系統中所產生的影響及不同參數間的相互作用關系。采用方框圖繪制來代替程序的編寫，使系統編寫具有可視化的功能，不僅有利于教師根據課程特點編寫多媒體課件，而且可培養學生獨立獲取知識的能力及提高學生借助于計算機解決工程實際問題的能力。下面我們以一臺他勵直流電機，要求仿真實驗電樞回路串電阻三級起動為例：

圖3 直流電動機串電阻起動仿真模型

其中電動機的額定參數為PN=17kW,UN=220V,IN=88.9A, nN=3000r/min,電樞回路總電阻為Ra=0.087Ω,勵磁回路總電阻為RF=181.5Ω，電動機轉動慣量為J=0.76kg·m2。

圖4 三級起動變阻箱的電路模型

圖5 他勵直流電動機分級起動的仿真結果

圖4三級起動變阻箱的電路模型封裝后就是圖3直流電動機串電阻起動仿真模型中的變阻箱的仿真模型。通過計算得額定負載轉矩為TL=60.1N·m,電動機的最大允許電流一般為額定電流的2.5倍，故最大電流設計在200A，為確保電動機起動，最小轉矩應至少大于額定負載轉矩，所以最小起動電流定在100A。從圖5的仿真結果可以看出，起動過程中，電流能被限制在100-200A，沒有發生過電流的情況；實現了轉速的近似平滑上升；并且保證了轉矩在一個相對較大值。圖5清楚的反映了起動中的電壓、電流、轉速和電磁轉矩的變化規律。

4 .結論

為了適應現代教育發展的需要，實驗教學必須不斷更新教學方法與手段，深化教學改革。MATLAB是一種科學計算軟件，在實驗中利用MATLAB進行分析、計算和設計，仿真實驗課使實驗在一種“問題—實踐—交流—猜想—推證—解決”的新模式中進行，可以使實驗方法得到改進，積極推進課程建設的發展。利用MATLAB Simulink工具箱及m文件編程，能構建所需系統仿真模型和開發各種控制界面，激發學生對實驗設計的興趣，有利學生創新思維的培養，提高學生分析和解決實際問題以及理論聯系實際的能力。學生通過課堂學習，傳統實驗仿真實驗相結合，提高了實驗效率和實驗水平，也可以為我們的實驗室投資節省一大筆寶貴的經費。MATLAB仿真實驗必將成為我們教學和科學研究中最常用且必不可少的工具。

［1］黃永安，馬 路，劉慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開發與高級工程應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

［2］洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，2006.

［3］潘曉晟，郝世勇.MATLAB電機仿真精華50例[M].北京：電子工業出版社，2007.

［4］蘇曉生.掌握MATLAB6.0及其工程應用[M].北京：科學出版社，2002.

G642

A

1672-0547（2010）01-0108-02

2009-08-01

朱云國（1976-），男，安徽宿松人，銅陵學院電氣工程系副教授，合肥工業大學電氣與自動化工程學院博士研究生，研究方向：智能控制、電力電子技術。