“電力拖動自動控制系統”的虛擬仿真教學研究

吉月輝 岳有軍 劉俊杰 趙學文

摘要“電力拖動自動控制系統”課程是自動化專業的一門專業必修課程，該課程同時側重理論和實踐的統一教學，主要針對直流電機和交流電機的調速問題，研究其自動控制系統的設計。在新時代和新工科教育改革背景下，把計算機虛擬仿真技術引入電力拖動類課程的實驗教學中，構建電力拖動自動控制虛擬仿真教學平臺，滿足產業升級的人才培養需求具有重要意義。本文以“電力拖動自動控制系統”課程為例，采用MATLAB搭建可視化虛擬仿真平臺，旨在讓學生在模擬情境下學習，提高自動化類專業學生的學習熱情，充分調動學生的積極性，進一步加強學生綜合素質的培養，實現工程教育專業認證背景下電力拖動自動控制系統課程的教學質量和學生學習成效。

關鍵詞電力拖動自動控制系統;虛擬仿真;MATLAB軟件;實驗教學

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.34.032

Research on Virtual Simulation Teaching of Electric Drive Automatic Control System

JI Yuehui[1][2]，YUE Youjun[1][2]，LIU Junjie[1][2]，ZHAO Xuewen[1][2]

（[1]The School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384;[2]Tianjin Key Laboratory for Control Theory & Applications in Complicated Industry Systems，Tianjin 300384）

AbstractThe course “Electric Power Drive Automatic Control System”is a professional course of automation major，which pays equal attention to both theory and practice. It mainly studies the design of automatic control system for DC motor and AC motor speed regulation. Under the background of the new era and the new engineering education reform，it is of great significance to introduce the computer virtual simulation technology into the experimental teaching of electric driving courses，and to construct the virtual simulation teaching platform of electric driving automatic control，so as to meet the needs of talents training for industrial upgrading. This paper takes the course "Electric Drive Automatic Control System" as an example，and virtual simulation platform is visualized by using MATLAB，which allows students to study in a simulated situation such that the learning enthusiasm of automation major students is effectively improved and the cultivation of students' comprehensive quality is also promoted. As a result，the teaching quality and students' learning results under the background of engineering education certification is improved.

Keywordselectric drive automatic control system;virtual simulation;MATLAB software;experimental teaching

隨著國務院相繼推出“一帶一路”“中國制造2025”等重大戰略規劃，以求加快構建中國制造新優勢，這對工程領域的人才素質培養提出了更高要求。[1]而在高等教育教學過程中，在課堂理論授課的基礎上，若能夠讓學生動手，完成相應實際實驗操作，則能以理論聯系實際為抓手，提高自身的實驗動手能力以及工程實踐能力。因此，從這個角度來講，理論授課是實驗教學的前提和基礎，而實驗教學是理論授課的一種拓展和延續。因此，完善和改革實驗教學方法和手段具有重要現實意義。

電力拖動自動控制系統課程是自動化類專業的一門專業必修課程，同時也是電氣類、電子信息類、儀表類等專業的重要課程，是整個自動化專業體系和學生培養計劃中的具有承上啟下作用的關鍵環節，該課程有機綜合“信息電子技術”“電機與拖動”“自動控制原理”“電力電子技術”等知識，課程內容涵蓋直流調速系統、交流調速系統、伺服系統等電力拖動控制系統的原理、分析方法和設計等，廣泛應用于各工業過程、農業領域、船舶運輸等領域，具有理論性和實踐性兼顧的特點。

我校“電力拖動自動控制系統”課程，在傳統的教學模式中，理論課與實驗課是分離的，導致理論課脫離生產和生活實際，而實驗教學得不到及時的理論指導，學生未能全面牢固地掌握基本知識和內容，對于如器件故障或設備故障等問題，也難以進行實驗分析和總結。此外，由于實驗設備和場地的有限性，亟須探索新的教學方法。虛擬仿真教學是一種新型教育方式，其通過采用基于計算機軟件的現代化信息技術，實現教與學的相互統一，具有效率高、內容多變、形式多樣、成本低、安全可靠等特點，目前已經得到較大的推廣，應用前景非常好。[2][3]虛擬仿真教學利用計算機軟件模擬真實情境，讓學生在模擬情境下學習。這種教學方法生動形象，接近現實場景，有利于提高學生興趣，使學生在短期內進入相應的情景，快速有效掌握知識和技能。[4]為實現理論與工程實踐教學結合，提高自動化類專業學生的學習熱情，充分調動學生的積極性，進一步加強學生綜合素質的培養，在“電力拖動自動控制系統”課程的教學中，通過搭建虛擬仿真技術教學平臺，將虛擬仿真教學與其他教學方法相結合，讓學生在模擬情境下學習，充分發揮利用多媒體教學的優勢，降低教學成本，提高教學效率，使得學生不受到場地和設備的限制，具有重要的教育和現實意義。

1基于虛擬仿真實驗平臺的教學模式

在多年的電力拖動自動控制系統課程教學與實踐教學基礎上，為滿足工程教育專業認證和學校的培養目標要求，我校電氣工程與自動化學院電力拖動自動控制系統課程教學團隊開發一款基于MATLAB/Simulink的低成本虛擬仿真實驗平臺，建立了如圖1所示的“課堂教學+實驗教學+虛擬仿真教學”的三結合教學模式，將學生理論學習、實驗設備操作和虛擬仿真實驗有機融合，形成理論與實際互補的教學模式。

2虛擬仿真實驗平臺開發

MATLAB具有強大的計算功能，配套有各類控制系統設計與分析的庫函數，具備可視化仿真工具Simulink，可設計圖形用戶界面，并自帶電路、電力電子、電動機系統等模塊工具箱，簡單易用。[5]基于MATLAB軟件的Simulink和GUI設計開發了電力拖動自動控制系統虛擬仿真教學實驗平臺，如圖2所示。所開發虛擬仿真教學實驗平臺涵蓋了直流調速系統和交流調速系統兩大部分，這兩大部分組成該課程的基礎實驗內容。第一部分的直流調速系統實驗可提供基于傳遞函數的虛擬仿真以及基于電氣結構圖的虛擬仿真，主要實驗包括：轉速開環直流調速系統、轉速閉環比例控制（P）直流調速系統、轉速閉環比例積分控制（PI）直流調速系統、電流截止負反饋轉速閉環直流調速系統、轉速電流雙閉環直流調速系統、PWM可逆直流調速系統以及V-M可逆直流調速系統。此外，第二部分的交流調速系統的基礎實驗包括：異步電機交流調壓調速系統、異步電動機轉速閉環變壓變頻調速系統、矢量控制交流調速系統、直接轉矩控制交流調速系統以及繞線轉子異步電動機雙饋調速系統。以轉速電流雙閉環直流調速系統為例，如圖3所示，在電力拖動自動控制系統虛擬仿真界面選擇相應的實驗項目內容，設置相應的電壓參考信號和電流擾動信號，并調節所需的比例系數和積分時間常數，直至達到控制目標。

3教學效果和學生評價反饋

針對我校在電力拖動自動控制系統課程，采用開發的虛擬仿真實驗平臺進行教學，提高了理論與實驗實踐的有機互融，學生學習的積極性變強，對實驗課程產生濃厚的學習熱情，形成了“理論學習”到“實驗實踐”的成功互聯，學習成效顯著，學生反饋評價優良。通過對2018級自動化專業的一個教學班級75名同學的調查問卷顯示，學生對開發的此類實驗教學平臺給予高度評價，投票匯總情況如圖4所示。所開發虛擬仿真實驗平臺的引入，有助于學生對理論知識的掌握，與往年相比，80分以上同學的占比明顯提高，如圖5所示，教學效果顯著。

4結論

以天津理工大學電力拖動自動控制系統課程為例，基于MATLAB/Simulink以及GUI開發了可視化虛擬仿真實驗平臺，旨在讓學生在模擬情境下學習，提高自動化類專業學生的學習熱情，充分調動學生的積極性，進一步加強學生綜合素質的培養。學生可隨時隨地進行電力拖動自動控制系統中直流調速和交流調速的相關基礎實驗，學生評價反饋和考核結果表明基于開發的虛擬仿真實驗教學具有良好的教學效果，可供其他相關的電氣、自動化課程借鑒。

參考文獻

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[2]薛香玉，張宏，張鋒，等.虛擬仿真技術在能源與動力工程實訓教學中的應用[J].教育教學論壇，2021，（33）：133-136.

[3]張澤，呂新，侯彤瑜，等.高校虛擬仿真實驗教學中心建設探討[J].教育教學論壇，2021（15）：80-83.

[4]田元，周曉蕾，寧國勤，等.虛擬仿真實驗教學對學生學習效果的影響研究——基于35項實驗和準實驗研究的元分析[J].現代教育技術，2021，31（08）：42-49.

[5]劉偉峰.異步電機實驗教學的Simulink輔助設計方法[J].科教導刊（上旬刊），2020，（22）：116-117.