“控制電機(jī)”的創(chuàng)新性教學(xué)研究

高鵬 楊路

[摘 要] 在“控制電機(jī)”的傳統(tǒng)教學(xué)方法上，首先提出將Matlab/SIMULINK軟件全程引入該門(mén)課程的教學(xué)中來(lái);其次提出將先進(jìn)的控制理論引入日常教學(xué)，在學(xué)習(xí)新的控制理論知識(shí)的同時(shí)，還能夠提高學(xué)生利用仿真軟件編程的能力;最后提出結(jié)合新型的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。這些創(chuàng)新性的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容能夠在拓展學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，也有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)電機(jī)課程的積極性和興趣。

[關(guān)鍵詞] 電機(jī);控制理論;仿真軟件

[基金項(xiàng)目] 2017年安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目“媒體融合下基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的高校網(wǎng)站富媒體化建設(shè)研究”（KJ2017A471）

[作者簡(jiǎn)介] 高 鵬（1984—），男，安徽阜陽(yáng)人，銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院講師（通信作者），南京工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2018級(jí)工程熱物理專(zhuān)業(yè)博士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制理論、機(jī)電控制;楊 路（1985—），女，安徽安慶人，安徽公安職業(yè)學(xué)院公安科技系講師，南京工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2019級(jí)工程熱物理專(zhuān)業(yè)博士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制理論、機(jī)電控制。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）40-0303-03? ? [收稿日期] 2020-04-06

由于我國(guó)的電機(jī)在各種工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，“控制電機(jī)”作為電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課，在我國(guó)的應(yīng)用型本科院校得到廣泛的開(kāi)設(shè)，該課程在培養(yǎng)高級(jí)電氣類(lèi)應(yīng)用型人才方面具有重要地位，該課程主要傳授各類(lèi)電機(jī)的工作原理以及相關(guān)控制原理。目前的“控制電機(jī)”教學(xué)主要存在控制理論比較固定、理論傳授較為傳統(tǒng)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力不強(qiáng)等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，本文以永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制為例，分三部分闡述如何進(jìn)行“控制電機(jī)”創(chuàng)新性教學(xué)。[1]

永磁同步電機(jī)目前被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)場(chǎng)合。永磁同步電機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁體組成。定子上的繞組通常是星形連接的，以減少雜散損耗。三相平衡交流電流與相位差的負(fù)載在三相永磁同步電機(jī)的固定繞組上，其中永磁同步電機(jī)的定子電壓如下。

一、Matlab/SIMULINK的應(yīng)用

目前的“控制電機(jī)”課程主要還是以課堂教學(xué)為主，大多數(shù)本科高校的理論課時(shí)都在32個(gè)學(xué)時(shí)左右，本文提出在不改變目前課時(shí)分配的基礎(chǔ)上，將Matlab/SIMULINK軟件全程引入該門(mén)課程的教學(xué)中來(lái)，本節(jié)以永磁同步電機(jī)控制原理講解為例，利用SIMULINK庫(kù)中的永磁同步電機(jī)已有的模型結(jié)合課本進(jìn)行教學(xué)，圖1為SIMULINK庫(kù)中的永磁同步電機(jī)模型。從圖1中，我們可以看出，我們可以根據(jù)需要設(shè)置該電機(jī)的永磁體的磁鏈、電機(jī)的極對(duì)數(shù)、旋轉(zhuǎn)慣性、定子繞組電阻等參數(shù)。

結(jié)合學(xué)生在前期課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)掌握的Clark變換和Park變換的知識(shí)，利用Matlab/SIMULINK軟件搭建永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，該電機(jī)的控制原理框圖如圖2所示：

利用構(gòu)建如圖2所示的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)框圖指導(dǎo)學(xué)生在Matlab/SIMULINK軟件搭建如圖3所示的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真圖，能夠加深學(xué)生對(duì)該類(lèi)型電機(jī)控制理論的理解，并且通過(guò)Matlab/SIMULINK軟件的運(yùn)算結(jié)果對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特性有了直觀的認(rèn)識(shí)。

二、先進(jìn)控制理論的應(yīng)用

傳統(tǒng)的線(xiàn)性控制器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在永磁同步電機(jī)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用，在傳統(tǒng)的“控制電機(jī)”教學(xué)中線(xiàn)性控制理論占據(jù)主要地位。但由于永磁同步電機(jī)的未知擾動(dòng)、時(shí)變、強(qiáng)耦合，傳統(tǒng)的線(xiàn)性控制器不能滿(mǎn)足高性能的控制要求[2，3]。因此，許多不同的高級(jí)控制理論被應(yīng)用到提高永磁同步電機(jī)控制性能中來(lái)，如自抗擾控制、反步控制、有限時(shí)間控制、模型預(yù)測(cè)控制、模糊邏輯控制、分?jǐn)?shù)階滑模控制和魯棒控制。本文將目前新型的控制理論，即：自抗擾控制理論和分?jǐn)?shù)階滑模控制理論引入“控制電機(jī)”的教學(xué)中來(lái)。在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新的控制理論知識(shí)的同時(shí)，還能夠提高學(xué)生利用仿真軟件編程的能力。

自抗擾控制理論是由傳統(tǒng)PID控制理論導(dǎo)出的，自抗擾控制理論比PID控制器具有更高的穩(wěn)定性和魯棒性。非線(xiàn)性自抗擾控制理論是韓京清先生于2009年提出的，旨在開(kāi)發(fā)一種替代經(jīng)典PID的實(shí)用控制方法，自抗擾控制理論是一種不依賴(lài)于植物精確數(shù)學(xué)模型的新控制方法。自抗擾控制理論由跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器（ESO）和狀態(tài)誤差反饋（SEF）組成，TD用于安排瞬態(tài)過(guò)程，ESO用于估計(jì)系統(tǒng)的總擾動(dòng)，SEF用于限制系統(tǒng)中的殘差，自抗擾控制理論強(qiáng)調(diào)使用ESO及時(shí)估計(jì)系統(tǒng)中的總擾動(dòng)，包括內(nèi)部未建模動(dòng)力學(xué)和外部擾動(dòng)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，自抗擾控制理論不僅在理論上取得了很大的進(jìn)步，而且在應(yīng)用上也取得了很快的進(jìn)步。在“控制電機(jī)”教學(xué)中，我們可以基于圖4講授基于自抗擾控制理論的電機(jī)控制理論和應(yīng)用。

分?jǐn)?shù)階滑模控制理論是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新的控制理論。首先，由于滑模控制理論的魯棒性和簡(jiǎn)單性，滑模控制理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用了幾十年，許多研究人員提出了幾種滑模控制理論策略。與整數(shù)階控制器相比，使用分?jǐn)?shù)階積分器和微分器的額外自由度使得進(jìn)一步提高控制效果成為可能。近年來(lái)，許多基于不同形式的分?jǐn)?shù)階滑動(dòng)面的滑模控制理論策略得到了廣泛的應(yīng)用。教學(xué)中先教會(huì)學(xué)生掌握一定的分?jǐn)?shù)階微積分的概念和定義，Riemann-liouville分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)和函數(shù)積分[3]：

再以分?jǐn)?shù)階微積分為基礎(chǔ)結(jié)合滑模控制理論，教會(huì)學(xué)生掌握分?jǐn)?shù)階滑模控制理論的基本概念和應(yīng)用方法。

分?jǐn)?shù)階滑模滑動(dòng)面被定義為[3]：

在課堂教學(xué)中，結(jié)合Matlab/SIMULINK軟件完成算法（13）的編程工作，加深學(xué)生對(duì)這一新控制理論的理解和掌握。

三、實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，在本門(mén)課程中同樣占據(jù)重要地位。但目前電機(jī)控制平臺(tái)多是基于各型號(hào)DSP或者各類(lèi)單片機(jī)，這些微處理器的學(xué)習(xí)對(duì)于普通本科院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)往往較為困難，這些學(xué)習(xí)困難也是造成目前控制電機(jī)課程學(xué)生不愿動(dòng)手實(shí)際操作的一個(gè)重要原因。故本文引用一種新型的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)到實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力（見(jiàn)圖5）。該平臺(tái)是基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開(kāi)發(fā)，包括電機(jī)控制仿真、信號(hào)采集、PWM產(chǎn)生、矢量變換等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可作為電機(jī)控制課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不需要針對(duì)TI TMS320F28335 DSP進(jìn)行編程，該平臺(tái)使用cSPACE半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以直接將MATLAB/Simulink中的模塊語(yǔ)言轉(zhuǎn)變成DSP能夠識(shí)別的C語(yǔ)言，從而簡(jiǎn)化了編程過(guò)程，降低了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的門(mén)檻，可以大大提高學(xué)生動(dòng)手的興趣，提高該門(mén)課程教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]李仁忠.《控制電機(jī)》的教學(xué)方法探索[J].教育教學(xué)論壇，2018（7）：188-189.

[2]S.Li，Z.Liu.Adaptive speed control for permanent-magnet synchronous motor system with variations of load inertia[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（8）：3050-3059.

[3]M. Zaihidee， S.Mekhilef，M.Mubin.Application of fractional order sliding mode control for speed control of permanent magnet synchronous motor[J].IEEE Access，2019（7）：101765-101774.