加強(qiáng)電力拖動控制實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)新工科學(xué)生創(chuàng)新能力

羅成名, 黃國銘, 張學(xué)武, 戴衛(wèi)力, 徐曉龍

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院, 江蘇 常州 213022)

為了深化工程教育改革,建設(shè)工程教育強(qiáng)國,教育部于2017年2月提出開展新工科研究與實(shí)踐[1]。創(chuàng)新型人才培養(yǎng)作為工科優(yōu)勢高校的重要任務(wù),能夠提質(zhì)升級制造業(yè)水平并推動中國制造向中高端發(fā)展[2]。結(jié)合我院自動化專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo),明確要求具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識和工程實(shí)踐能力,能夠解決生產(chǎn)、生活中復(fù)雜的控制工程問題[3]。電力拖動控制作為自動化系的專業(yè)骨干課,其控制對象——電機(jī)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié),對其進(jìn)行新工科背景下的教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新具有重要意義[4],具體實(shí)踐環(huán)節(jié)及教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。本文在專題知識理論模型講授的同時,重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及科技活動等方面的訓(xùn)練,讓學(xué)生掌握理論知識的同時能夠靈活地運(yùn)用。

圖1 電力拖動控制專題實(shí)踐教學(xué)

1 調(diào)速理論教學(xué)

圖2 運(yùn)動載體調(diào)速控制

圖3 基于PI控制器的運(yùn)動載體轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速

2 實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)

為了能夠更加直觀形象地認(rèn)知運(yùn)動載體轉(zhuǎn)速PI控制對調(diào)速性能的影響,在杭州力控科技有限公司HKKK-1型電力電子及電機(jī)拖動與運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)裝置上,指導(dǎo)學(xué)生搭建轉(zhuǎn)速PI控制直流調(diào)速,如圖4所示。

圖4 教學(xué)仿真設(shè)備搭建PI調(diào)節(jié)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與轉(zhuǎn)速開環(huán)相比較,轉(zhuǎn)速開環(huán)時當(dāng)增大給定電壓導(dǎo)致電樞電壓增加,使轉(zhuǎn)速上升并穩(wěn)定在1 200 rpm,通過減少負(fù)載電阻來增大負(fù)載電流,從而增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速下降并最終到900 rpm,說明在負(fù)載擾動下開環(huán)系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)速降落差；增加轉(zhuǎn)速反饋控制構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI控制系統(tǒng),同樣在轉(zhuǎn)速1 200 rpm時減少負(fù)載電阻增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在1 200 rpm,說明在負(fù)載擾動下閉環(huán)PI控制系統(tǒng)能夠使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速PI控制與轉(zhuǎn)速開環(huán)控制結(jié)果

利用仿真軟件搭建轉(zhuǎn)速反饋電機(jī)調(diào)速PI控制系統(tǒng),仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由電壓給定模塊、PI控制模塊、轉(zhuǎn)速反饋模塊以及電壓比較模塊等組成,如圖6所示。通過實(shí)驗(yàn)和仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了前述的理論分析和設(shè)計,發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速在較短的調(diào)節(jié)時間到達(dá)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速,如圖7所示。轉(zhuǎn)速控制器主要有3種方式：比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)及比例積分。比例控制器取決于輸入偏差現(xiàn)狀,積分控制器包含輸入偏差全部歷史,其調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)在于：(1)比例控制器能夠快速響應(yīng)；積分控制器只能逐漸變化；(2)比例控制器為有靜差調(diào)速；積分控制器為無靜差調(diào)速；(3)采用比例積分控制器,能夠快速響應(yīng),其穩(wěn)態(tài)精度高。

圖6 轉(zhuǎn)速反饋PI調(diào)節(jié)控制仿真模型

圖7 轉(zhuǎn)速反饋PI調(diào)節(jié)控制仿真數(shù)據(jù)

3 課外拓展訓(xùn)練

本文主要講述PI調(diào)節(jié)直流調(diào)速控制,直流電機(jī)目前在學(xué)生競賽、科技作品中廣泛使用,圖8為學(xué)生采用步進(jìn)電機(jī)來控制一個滾球系統(tǒng)。先用攝像頭檢測出滾球的當(dāng)前位置,與預(yù)期滾球的位置進(jìn)行比較,得出位置偏差送給PID1控制器,然后將輸出值作為平板期望的輸出角度值,與角度傳感器測量的當(dāng)前值進(jìn)行比較,得出角度偏差送給PID2控制器,輸出值用來控制電機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)動使得平板的角度和滾球的位置發(fā)生移動,直至滾球進(jìn)入指定區(qū)域位置,即最終滾球輸出為準(zhǔn)確位置信息。采用以下步驟：(1)調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)采用PID串級控制；(2)參數(shù)整定先比例,再積分、后微分；(3)攝像頭檢測滾球位置與預(yù)設(shè)位置偏差給PID1,與角度傳感器測量當(dāng)前值偏差給PID2控制器,來控制電機(jī)的運(yùn)動。

圖8 基于PID控制器學(xué)生課外訓(xùn)練

學(xué)生參與教師相關(guān)科研項(xiàng)目時需要電力拖動控制知識,包括機(jī)器人尋跡控制、機(jī)器人融合定位以及機(jī)器人地圖構(gòu)建等科研活動,需要對機(jī)器人的航向、速度和位置進(jìn)行精確控制,通過傳感器測量機(jī)器人的航向角、速度和位置參數(shù),作為反饋值傳輸?shù)娇刂破鱽韺?shí)時調(diào)整輸入信號的幅值,采用電動機(jī)控制機(jī)器人沿著規(guī)劃好的路徑運(yùn)動到預(yù)定位置[9-10]。基于理論教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué),通過課外拓展訓(xùn)練幫助學(xué)生在電力拖動PI控制專題進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí),從而促進(jìn)理論理解與實(shí)際運(yùn)用能力的提升,培養(yǎng)新工科學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力[11-12]。

4 結(jié)語

本文針對電力拖動控制PI專題的教學(xué)設(shè)計,以學(xué)生接觸的智能小車作為運(yùn)動載體,設(shè)計了一條從問題引入—理論教學(xué)—實(shí)驗(yàn)教學(xué)—拓展訓(xùn)練的主線,注重理論與實(shí)踐相結(jié)合并逐步推進(jìn),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高電力拖動控制的教學(xué)效果,讓學(xué)生在具體的工程實(shí)踐中掌握重點(diǎn)難點(diǎn)等相關(guān)知識,同時培養(yǎng)了新工科學(xué)生利用所學(xué)知識進(jìn)行電力拖動控制的應(yīng)用能力,使得學(xué)生能夠認(rèn)識到自動化專業(yè)今后在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或智能制造中就業(yè)和深造的重要性。作為一名高等院校的教師,要踐行立德樹人的使命,在立足課堂講好“一門課”這一系統(tǒng)工程的同時,做到教學(xué)與科研融合,通過自己的努力幫助學(xué)生成為更好的自己。