《運動控制系統》課程虛擬實驗的設計

　　摘 要： 針對《運動控制系統》課程實驗設備的限制及課程教學內容的需要，衢州學院引入MATLAB/Simulink仿真平臺，在此基礎上逐步開發與課程相關的虛擬實驗項目。這些虛擬實驗項目的引用不僅豐富了課堂教學內容，而且在一定程度上提高了學生的實踐能力和創新能力。
　　關鍵詞： 《運動控制系統》課程 MATLAB/Simulink 虛擬實驗
　　
　　1.引言
　　《運動控制系統》課程是電氣自動化專業和過程自動化專業的一門專業主干課程，該課程信息量大，綜合性強，覆蓋面寬，是實踐性和應用性很強的一門課程［１，２］。按照課程教學大綱的要求，學生至少要完成三個實驗：
　　（1）晶閘管直流調速系統參數和環節特性的測定實驗。
　　（2）單閉環晶閘管直流調速系統實驗。
　　（3）雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統實驗。
　　很明顯，學生面對的不再是簡單的基礎性或者驗證性實驗，而是綜合設計實驗。第一次使用如此復雜的元件、設備、儀器、儀表、導線、工具，大部分學生往往會無從著手，再加上缺乏前期專業知識的系統學習，導致在實驗過程中經常性地發生誤操作。除此之外，課程無論理論學習還是從實踐設計，都由一個非常明顯的特點：綜合，也正是這一點讓大部分同學或因為困難，或因為缺少客觀目標而缺乏學習興趣。針對以上問題，我院提出了在實踐教學中引入投資少、見效快的虛擬實驗［3］。
　　虛擬技術已被應用到教學和科研的很多領域。利用現有的計算機資源在計算機平臺上開設一些虛擬實驗項目，不需要大量的儀器和設備，具有節省投資和場地投入的優點。學生一旦掌握了虛擬實驗的方法，就能在計算機平臺上進行內容更深入、更豐富的研究，有利于提高學生的學習興趣，培養實踐和創新能力。另外，實驗的圖文資料可以豐富課堂教學內容。
　　2．仿真平臺MATLAB/Simulink
　　由美國Math Works公司推出的Matlab仿真軟件是一款國際公認的優秀科技應用軟件。它為許多專門的領域都開發了功能強大的模塊集和工具箱，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。最新版MATLAB7中的電力系統仿真工具箱（Power System Blocksets），為運動控制系統的仿真設計提供了一個極好的軟件平臺［4，5，6，7］。
　　在MATLAB環境下，利用Simulink仿真工具箱，采用結構化和模塊化的方法，可以在課堂教學和實驗教學中方便地構建出運動控制系統的仿真模型，輔助課堂教學和實驗教學。通過實時地顯示系統中各種數據和信號波形，可以加深學生對系統工作原理和相關基本概念的認識與理解，提高學習興趣。
　　3．虛擬實驗的設計
　　在虛擬實驗內容的安排上，我們參考了傳統實驗，由淺入深地安排了幾個經典的仿真實例［8，9，10］，分別如下。
　　3.1開環直流調速系統仿真實驗
　　考慮到實驗的相似性，我們一開始就把開環直流調速系統的主電路和同步脈沖晶閘管觸發電路設置成仿真子模塊，方便調用［7］。如下圖1所示，主電路由三相對稱交流電壓源（380V 50Hz）、晶閘管整流橋（Universal Bridge）、平波電抗器（serial RLC Branch）、直流電動機（DC machine）、直流勵磁電壓源（220V）等部分組成。而觸發觸發電路由1個同步6脈沖發生器（Synchronized 6-Pulse Generator）和3個電壓測量表（Voltage Measurment）組成。
　　通過仿真，可以得到大量的圖像數據結果并以此形象地說明調速性能的優劣，由于篇幅限制，我們只采用速度曲線仿真結果來比較不同控制方式下的性能差別。開環調速系統的控制電路中設置給定速度曲線為120rad/s，飽和限幅器的限值（130，0），完成圖2（a）連線，仿真結果顯示為圖2（b）。
　　3.2單閉環有靜差晶閘管直流調速系統仿真實驗
　　單閉環有靜差晶閘管直流調速系統的主電路和觸發電路連線、參數設置同圖1子模塊，但是控制電路的連線如圖3（a），這里的ASR我們采用一個gain（10）放大環節，并把轉速輸出以系數1反饋到輸入端。仿真結果如下圖3（b）。
　　3.3雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統仿真實驗
　　雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統的主電路如圖1，控制電路的連線如圖4（a），至于ASR和ACR兩個調節器我們采用兩個PID放大環節，而轉速和電流則分別以系數1和0.1反饋到相應端。仿真結果如下圖3（b）。
　　4．結語
　　我們簡單地以三個運動控制系統中的典型實驗為對象進行了虛擬仿真，整個過程既不需要繁瑣的編程，又不需要推導系統復雜的動態數學模型，只需從工具箱的元件庫中復制所需的電氣元件，按電氣系統進行連接并適當設置參數就可以實現，而且建模過程接近實際電路設計過程，適合學生在無人指導的情況下自行在計算機上完成設計和調試，甚至還可以拓展研究。至于仿真結果，可以幫助教師借助形象逼真的圖形語言講解復雜難懂的理論知識點，有助于學生理解掌握，如用以上三個仿真實驗說明開環系統輸出的易受擾動，單閉環有靜差系統的速度超調和穩定誤差的影響，以及雙閉環無靜差系統的動態特性，等等。
　　
　　參考文獻：
　　［1］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統：運動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2010.
　　［2］爾桂花，竇曰軒.運動控制系統［M］.北京：清華大學出版社，2002.
　　［3］李萍，厲虹，侯懷昌.電氣工程及其自動化專業運動控制系統課程實驗教學改革探討［J］.教育理論與實踐，2010，30，（5）:61-63.
　　［4］Power System Blockset User’s Guide［M］.The MathWorks，Inc.2001.
　　［5］張葛祥，李娜.MATLAB仿真技術與應用［M］.北京:清華大學出版社，2003.
　　［6］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.
　　［7］周淵深.交直流調速系統與Matlab仿真［M］.北京:中國電力出版社，2003.
　　［8］汪小平，洪乃剛，范國偉.電機和電力拖動控制系統課程虛擬實驗的開發［J］.安徽工業大學學報，2007，24，（5）:131-132.
　　［9］方清城，羅中良，官峰等.運動控制系統在實驗教學中引用［J］.實驗室技術與管理，2007，24，（1）:73-76.
　　［10］張興華.基于Simulink/PSB的異步電機變頻調速系統的建模與仿真［J］.系統仿真學報，2005，17，（9）:2099-2103.