MATLAB仿真在電氣專業(yè)重點學科中輔助教學的探究

胡娜 劉德紅 陳媛 徐良雄

摘 要：高校工科類專業(yè)大都設置專業(yè)實踐環(huán)節(jié)，其教學目的是通過課程設計、實驗等環(huán)節(jié)加強理論和實踐的結合，使學生掌握原理分析電路設計、參數(shù)計算、器件選擇及特性研究的基本要求和方法。然而，由于場地和設備的限制，電氣專業(yè)重點學科難以設置實踐環(huán)節(jié)，計算機仿真技術很容易與先進的教學方法相結合，本文將MATLAB仿真教學結合電氣專業(yè)重點學科，提出設計的基本要求和過程，讓學生掌握更多的技能，達到更好的教學效果。

關鍵詞：課程設計 計算機仿真 教學效果

1 引言

隨著科學技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電氣學科綜合交叉的特點越來越明顯。加強專業(yè)知識教育、創(chuàng)新意識培養(yǎng)、動手能力訓練和綜合素質培養(yǎng)，已經(jīng)成為電氣學科人才培養(yǎng)的基本要求，也是當代電氣學科高等教育的核心內(nèi)容。

本文將虛擬仿真技術引入到電氣專業(yè)的重點課程——《過程控制系統(tǒng)》、《電力系統(tǒng)分析》及《控制系統(tǒng)仿真技術》的理論教學和實驗教學中，對這三門重點課程進行分析，尤其對于《過程控制系統(tǒng)》設計出主要的教學情境及教學方法，結合具體的教學過程與教學效果，得出比較合理的教學方案[1，2]。

2 MATLAB仿真在《過程控制系統(tǒng)》課程教學中的應用

目前對《過程控制系統(tǒng)》的教學改革在逐步進行，不斷加強實踐和理論相結合，不僅要求學生在課堂上學好基礎知識，而且提倡學生豐富自己的實際動手能力，增強對理論知識的理解。

《過程控制系統(tǒng)》的實踐環(huán)節(jié)各個學校不盡相同，比較有代表性的題目有“雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)設計”，“雙閉環(huán)PWM-M調速系統(tǒng)設計”，“異步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)設計”等，基于實驗教學平臺的實踐就是將實驗設備模擬成工業(yè)設備，將課程設計作為工程設計，在設計室要完成電路設計、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)參數(shù)的計算、元器件選擇、動靜態(tài)特性分析、設計說明、設計小結等任務;要完成電路組成、參數(shù)測定、系統(tǒng)仿真調試和故障診斷等任務。

現(xiàn)在以“雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)”為課程設計課題說明設計的過程及其要求。

2.1 電路設計及電路繪制

結合電流、轉速雙閉環(huán)系統(tǒng)，完成V-M系統(tǒng)主電路、驅動電路及保護電路，完成電流、轉速閉環(huán)控制電路，并應用電氣CAD完成電路的繪制。

電路設計應滿足設計指標的要求，繪圖應滿足GB4728，這一環(huán)節(jié)不僅讓學生具有基本的設計能力，同時強化學生應用電氣CAD計算機繪制的能力。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)測定

為了構建系統(tǒng)的數(shù)學模型進行特性分析，必須應用實驗教學平臺對實際V-M系統(tǒng)進行參數(shù)測定，測定的參數(shù)主要有電樞回路總電阻RΣ（其中包括整流裝置的內(nèi)阻RN，電抗器電阻RL，電動機的電樞電阻Ra等）、電動機的電磁系數(shù)Ce，電樞回路電磁時間常數(shù)TL，系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm，電流反饋系數(shù)β，轉速反饋系數(shù)α，負載的轉動慣量GD2等。應用實驗教學平臺測定參數(shù)時，要電路及測定方式正確，每一個參數(shù)要測定3次，取平均值為測定結果，所有測定儀器儀表，與記錄儀要有合理的精度。

2.3 系統(tǒng)建模與工程設計

根據(jù)系統(tǒng)已知的參數(shù)和測定的參數(shù)，可以方便地建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型和動態(tài)模型，為了確保系統(tǒng)具有良好的特性，并克服系統(tǒng)動靜態(tài)的矛盾，通常采用PI調節(jié)器進行串聯(lián)校正。

要求應用工程設計方法進行最佳系統(tǒng)設計，通常電流環(huán)ACR采用典型I型系統(tǒng)，保證其具有良好地跟隨性。轉速還ASR采用典型Ⅱ型系統(tǒng)，保證其有良好的抗干擾性，最終要完成調節(jié)器ACR、ASR的參數(shù)計算。通過系統(tǒng)建模與校正，學生掌握系統(tǒng)分析的基本方法和改善系統(tǒng)性能的基本方法，充分理解如何應用控制理論法解決實際系統(tǒng)的問題。

2.4 系統(tǒng)仿真及參數(shù)修改[3，4]

采用雙閉環(huán)控制的V-M系統(tǒng)，采用工程設計是在一定的條件下得到的，如果用MATLAB仿真軟件進行仿真，并根據(jù)MATLAB仿真結果對設計參數(shù)進行必要的修改和調整，以達到設計課題的要求。

在按工程設計方法設計電流環(huán)時，暫不考慮反電動勢變化的影響，在電流環(huán)的仿真模型中，可以把反電動勢的影響考慮進去，這樣可以得到更真實的仿真結果。通過觀察PI參數(shù)對跟隨性能指標的影響趨勢，可以獲取符合工程要求的更合理參數(shù)。利用轉速仿真模型同樣可以對轉速環(huán)抗擾過程進行仿真，它是任何負載電流IdL的輸入端加上負載電流，獲得在空載穩(wěn)定運行時突加額定負載的轉速與電流響應曲線。

通過MATLAB仿真，可以靈活修改調節(jié)器的參數(shù)，直到系統(tǒng)得到滿意的結果。

2.5 運行分析

根據(jù)MATLAB仿真結果完成參數(shù)修改以后的系統(tǒng)，在實驗平臺上進行實際運行，通過儀器儀表和記錄儀測取系統(tǒng)的動靜態(tài)參數(shù)，綜合比較其性能指標，給出運行分析結果。

2.6 撰寫設計說明

在完成上述各環(huán)節(jié)任務后，可以結合設計要求完成設計說明的撰寫，詳細說明整個課程設計的思路、步驟、計算、仿真的結果及運行分析，最后進行設計小結談自己的實際體會、收獲和存在改進的問題。

3 MATLAB仿真在《電力系統(tǒng)分析》課程教學中的應用

電力系統(tǒng)分析仿真是將整個電力系統(tǒng)看作由母線、變壓器和輸電線路所構成的有源電力網(wǎng)絡，該數(shù)學模型成為計算和研究電力系統(tǒng)潮流、短路和穩(wěn)定問題的基礎。

如果用真實的電網(wǎng)來檢驗，不現(xiàn)實，而單純進行手動計算，花費時間太多，教學效率極低。利用MATLAB仿真電力網(wǎng)絡時，電力網(wǎng)絡可以用節(jié)點方程式或回路方程式表示出來。在節(jié)點方程式中表示網(wǎng)絡狀態(tài)的變量是各節(jié)點的電壓，在回路方程式中是各回路中的回路電流。在進行短路故障計算時，MATLAB仿真可以根據(jù)需要對不同處的電壓和電流進行計算。潮流計算時，需要建立電力系統(tǒng)網(wǎng)絡以及導納型節(jié)點方程表示的數(shù)學模型，將節(jié)點流入電流用功率和電壓表示，求解之前，根據(jù)系統(tǒng)的實際運行條件將節(jié)點分為PQ節(jié)點、PU節(jié)點、平衡節(jié)點，平衡節(jié)點只設一個。引入定解條件后，便得到潮流計算用的一組非線性方程。MATLAB仿真的引入，不僅有利于探究型課堂的開展，也有利于學生計算機實踐能力的提高，實現(xiàn)“教、學、做”一體化教學設計。

4 MATLAB仿真在《控制系統(tǒng)仿真技術》課程教學中的應用

對于《控制系統(tǒng)仿真技術》常用的仿真軟件為MATLAB/SIMULINK，SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速度的系統(tǒng)仿真。將MATLAB仿真軟件引用到課堂教學中去，首先建立控制系統(tǒng)模型，然后在控制系統(tǒng)模型的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)的特點設計出相應的參數(shù)，并參照要求不斷優(yōu)化系統(tǒng)。

5 結論

在組織教學內(nèi)容時，結合學生特點、本專業(yè)最新技術和企業(yè)需求，借助MATLAB虛擬仿真技術，設計出最適合的教學情境，在最大化的節(jié)約教學硬件設備的基礎上，將計算機仿真技術應用于電氣專業(yè)的重點學科的教學中，創(chuàng)造出適合不同課程的虛擬仿真環(huán)境，從而實現(xiàn)教學方法有機融合，提高教學效果。

基金項目：武漢科技大學城市學院2018教學研究項目《計算機仿真技術輔助教學的改革與實踐》（項目編號：2018CYYBJY026）。

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