Simulink軟件與透平機械控制課程的融合教學

摘 要：在講解熱能與動力工程本科專業課程透平機械控制的過程中，融入Matlab軟件Simulink仿真工具箱教學，通過課堂演示控制系統各組成元件的故障仿真過程，分析控制系統各項指標，這對學生深入理解透平機械控制系統性有一定輔助作用。

關鍵詞：仿真軟件；透平機械；控制系統

透平機械控制是熱能與動力工程專業本科生專業課程，理論性和應用性較強。Simulink是一個進行動態系統建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統包括：線性、非線性系統，離散、連續及混合系統，單任務、多任務離散事件系統。在多年的教學過程中，筆者結合學生學習效果反饋，發現在課堂中融入Simulink仿真軟件教學能取得較好的效果。

下面結合教學實例對Simulink仿真軟件教學進行分析：

課程主要內容：分析透平機械控制系統元件的故障，對控制系統性能的影響。

把握各種控制規律是透平機械控制的任務，要由復雜的控制系統完成，由于實際應用的透平機械控制系統結構種類繁多，通常在教學過程中以幾種典型的控制系統為例進行分析。本教學實例首先分別是建立測量元件、比較放大元件、執行元件以及控制對象的數學模型，通過Simulink仿真工具箱建立透平機械控制系統的仿真模型如圖1所示，仿真結果如圖2曲線0所示。

一、杠桿故障分析與故障仿真

反饋杠桿不靈活、卡塞或變形會導致反饋裝置的遲緩率過大，反饋時間常數增大，造成轉速波動，調節時間變長。圖2中線1為杠桿故障導致反饋延遲的仿真曲線。故障狀態下，系統超調量增加，轉速波動嚴重。

二、調節彈簧故障分析與故障仿真

彈簧疲勞失效是透平機械轉速控制系統的常見故障，彈性減弱甚至完全失去。在彈簧彈性減弱時反饋裝置的反饋時間常數會增大。圖中2線2為調節彈簧彈性減弱的曲線，調節時間加長，達不到所要求的設定轉速。

三、錯油門滑閥卡死故障分析與故障仿真

透平機械的工作條件比較復雜，易導致液壓油路的污染，使錯油門中摻雜大量的污染顆粒，這些顆粒會導致錯油門滑閥卡死。卡死以后就會使轉速控制系統的液壓放大與反饋環節失去作用。圖2線3為錯油門滑閥卡死工況（液壓放大與反饋環節失效）的仿真曲線。錯油門滑閥卡死時轉速穩定在某一轉速狀態，達不到設定轉速值。

四、錯油門滑閥節流口堵塞故障分析與故障仿真

由于長時間工作，錯油門中的油可能會被外界的雜質或部件間的磨損掉下鐵屑污染，而這些雜質與鐵屑可能會堆積在錯油門滑閥節流口處，使節流口的周向寬度變小。節流口的周向寬度變小導致液壓放大器的增益系數減小，這種故障會造成液壓放大器對輸入信號的放大程度減小，使油動機的反應變緩，整個調節系統調節時間加長。線4為錯油門滑閥節流口堵塞的曲線。故障曲線15秒仍未達到設定轉速，并且出現了小頻率的轉速波動。

五、錯油門出液壓油泄漏故障分析與故障仿真

錯油門處液壓油泄漏后，會導致進入錯油門的油壓力降低，進而使通過錯油門滑閥節流口的液壓油流速降低，流速降低以后，液壓放大器的增益系數變小，故障現象與錯油門滑閥節流口堵塞相似。如果油壓繼續降低，直到無法推動油動機動作，則會使之后的放大反饋環節失效，故障現象與錯油門滑閥卡死相似。

通過透平機械控制系統各元件故障分析，構建故障模型，融合Matlab軟件中Simulink仿真工具，可以非常直觀地使學生了解透平機械控制系統建模、仿真的過程。將Simulink仿真軟件應用于透平機械控制的本科生教學過程中， 有助于學生理解，必將有利于取得較好的教學效果。

參考文獻：

李穎，朱伯立，張威.Simulink動態系統建模與仿真基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.