“運動控制系統(tǒng)”課程仿真平臺在實驗教學中應用＊

張志華，李 琦，李伯群，石 峻

（遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114051）

1 引言

“運動控制系統(tǒng)”是高等學校自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。該課程以交、直流電機為控制對象，綜合了自動控制原理、電機拖動基礎、電力電子技術、計算機控制技術等多門課程知識于一體，以實現(xiàn)對拖動系統(tǒng)的控制，具有知識面寬、綜合性和實踐性強、實際工程要求高的特點。通過其實驗教學可以驗證各類調速系統(tǒng)理論的正確性，幫助和鞏固學生對課堂知識的理解和吸收。實驗過程中也會不斷發(fā)現(xiàn)問題，引導學生運用所學知識解決問題，進而培養(yǎng)學生分析、設計與創(chuàng)新的能力。

在“運動控制系統(tǒng)”實驗教學中，為了改變其教學內容的枯燥和局限，緩解實驗硬件資源緊張、易于損壞等不足，提高其系統(tǒng)展示和創(chuàng)新開發(fā)的能力，實驗教學的改革已成為高校特別是應用型本科院校教學改革的重要環(huán)節(jié)之一。考慮仿真實驗和設計不受實驗學時、設備等條件的限制，尚麗等[1]基于MATLAB 中Simulink 仿真技術和GUI 界面設計，開發(fā)設計了可視化的運動控制系統(tǒng)虛擬實驗平臺，幫助學生直觀了解實驗過程。劉繼光等[2]針對綜合實驗，提出了模擬仿真與傳統(tǒng)實驗相結合的新模式。劉漢忠等[3]認為MATLAB仿真技術也可以融入課堂理論教學和課程設計中，增強學生對復雜抽象運動控制系統(tǒng)知識的理解，以提升教學效果。可見，仿真技術引入可以實現(xiàn)從強調針對性的專業(yè)教育向突出適應性的工程基礎教育的轉變[4]。

從創(chuàng)新型和工程應用型人才培養(yǎng)的需要出發(fā)，為了打造學生進行工程設計與創(chuàng)新的教學環(huán)境，在運動控制系統(tǒng)的實驗教學中建立并應用其實驗仿真平臺。基于仿真平臺，可以更好地進行交直流電機調速控制系統(tǒng)的實驗教學，幫助學生掌握一套完整的運動控制系統(tǒng)的理論體系，并具備初步的工程設計能力與創(chuàng)新能力。

2 存在問題

目前，該課程的實驗教學大多依托于各類實驗教學設備進行模塊化設計，按照實驗指導書中內容進行操作，完成各個實驗驗證，其主要存在以下幾個問題。

2.1 傳統(tǒng)實驗設備更新困難化和操作模塊化

首先，課程的知識點隨著技術發(fā)展不斷更新，可實驗設備一旦建立通常難以在短時間內進行升級更新，內容相對落后，難以滿足現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)實驗教學的要求。其次，實驗平臺的設備模塊化使學生通常都是對著實驗指導書連線，按照給定的實驗參數(shù)進行調試。一堂實驗課下來，除了線路連接和參數(shù)測試，課程的知識點很多沒有強化鞏固和深入理解，未對課程的學習起到幫助和促進作用。再次，實驗設備臺數(shù)比較有限，難以考察每個學生的學習情況，且設備器件較易損壞，維護較困難。

2.2 傳統(tǒng)實驗平臺展示不夠方便直觀

該門課程涉及的已修課程知識較多，且比較抽象和復雜，因此學生學習該課程的難度比較大、理解困難。受場地、時間和設備等限制，傳統(tǒng)的實驗設備平臺難以讓學生更加方便、直觀地觀察到系統(tǒng)設計調試過程中各個參數(shù)的變化情況，理解控制參數(shù)對系統(tǒng)的不同影響，因此學生不能獲得更好的感性認識和理性認識。

2.3 傳統(tǒng)實驗平臺創(chuàng)新開發(fā)受限

受實驗平臺硬件和軟件的限制，學生難以在其上實現(xiàn)復雜調速系統(tǒng)的新改進或新型調速系統(tǒng)的分析設計與工程創(chuàng)新。并且從安全角度考慮，難以在現(xiàn)有實驗設備上進行極端條件下的分析與設計，又進一步限制了設計的創(chuàng)新能力。

因此，實驗過后學生不能很好地理解和掌握交直流調速系統(tǒng)的理論知識和設計方法，更難以進行工程創(chuàng)新設計。

3 仿真技術的應用

MATLAB 的電力系統(tǒng)工具箱 PSB（Power System Blockset）具有強大的功能，以Simulink 為運行環(huán)境，由電源模塊庫、元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、連接器模塊庫、測量模塊庫、附加模塊庫組成，包括了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電氣工程學科中常用的基本元件模型，這些器件能夠反映相應實際元器件的電氣特性，系統(tǒng)搭建方便，適用于運動控制系統(tǒng)的仿真教學中[2]。在運動控制系統(tǒng)實驗中，用MATLAB/Simulink 仿真軟件搭建的仿真實驗平臺可與實際實驗相結合。從課前設計、課上驗證，到實踐開發(fā)等方面進行運動控制系統(tǒng)的分析與設計。

3.1 仿真實驗平臺教學內容的設置

仿真平臺除了包含傳統(tǒng)實驗中單閉環(huán)和雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)以及矢量控制、直接轉矩控制等交流調速系統(tǒng)的仿真模型外，考慮到目前人工智能方法的廣泛應用，分別采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制設計PID 控制器，進行雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真設計，以利于學生對先進控制方法的掌握和理解，進而對運動控制系統(tǒng)進行智能創(chuàng)新設計。

3.2 基于仿真實驗平臺的設計與驗證

基于MATLAB/Simulink 仿真軟件，構建了各類典型的交直流調速系統(tǒng)。在此平臺框架基礎上，設計各個調速系統(tǒng)的圖形用戶界面GUI，實現(xiàn)可視化教學。計算機仿真由于不受時間和空間的限制，可方便進行開放式教學。實驗前，學生根據(jù)實驗指導書要求和內容，在每個典型系統(tǒng)界面上比較方便地設置和修改系統(tǒng)的控制參數(shù)，快速直觀地觀察到不同控制參數(shù)下轉速、電流、轉矩、磁鏈等響應曲線變化過程，了解PID 控制各個參數(shù)對輸出響應的不同影響，進而不斷調整并找到控制器的最佳參數(shù)，進行實驗的預先模擬。當然，學生可直接利用平臺建好的仿真模型，也可以根據(jù)平臺提供的仿真模型構建的指導書自己建立仿真模型，并在此基礎上進行改進研究。通過仿真系統(tǒng)搭建與模擬，學生對整個系統(tǒng)的結構、組成和工作原理，以及系統(tǒng)各個部分知識點有了更加深入的了解。

實驗前得到調速系統(tǒng)的設計參數(shù)后，實驗時可以根據(jù)已有的仿真模型，對現(xiàn)有的實驗設備進行實物連接和搭建，按照仿真參數(shù)進行設置，進行實際驗證，并根據(jù)獲得響應曲線進行設計參數(shù)的進一步校正，實現(xiàn)對調速系統(tǒng)的更好控制。借助仿真實驗平臺，學生除了可以較為容易實現(xiàn)各種實驗設計和分析外，可以避免由于一些誤操作對實際設備的損壞，同時還可以進行比較極端條件下的實驗研究與分析，減小人身傷害，提高安全系數(shù)。

3.3 基于仿真實驗平臺的工程設計與創(chuàng)新

為了縮短系統(tǒng)設計周期、減少工程開發(fā)成本，鼓勵學生在仿真平臺上進行工程設計的開發(fā)和創(chuàng)新。學生根據(jù)實際系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設計要求，基于平臺中已有的典型調速系統(tǒng)，選定調速設計方案，依據(jù)工程設計法建立待設計系統(tǒng)的仿真模型，不斷調試設計效果滿足系統(tǒng)性能指標的要求，得到設計方案的控制參數(shù)。進行實際的工程測試時，根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況適當調整控制參數(shù)，最終實現(xiàn)較好的控制效果。

工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)在實際設計前，進行仿真模擬設計是現(xiàn)代工程設計的發(fā)展趨勢。基于MATLAB/Simulink 仿真軟件建立交直流調速系統(tǒng)的仿真實驗平臺，將仿真技術和實驗教學相結合，不僅降低實驗室建設成本，實驗時間和實驗地點自由，而且也便于學生獨立完成實驗，參數(shù)調整方便，克服了傳統(tǒng)實驗教學知識點陳舊和照搬硬套實驗指導書等不足，使學生更加直觀地了解電動機控制系統(tǒng)的工作原理，加深了學生對理論知識的深入理解和熟練掌握，便于學生以平臺為基礎進行實際系統(tǒng)的工程仿真設計和創(chuàng)新。

4 結語

通過開展實驗的仿真教學，采用MATLAB 仿真軟件建立運動控制系統(tǒng)仿真實驗平臺，形象直觀地展現(xiàn)抽象復雜的運動控制系統(tǒng)的理論，達到實驗教學對課堂知識的深入理解、消化吸收的目的；同時引導學生，依據(jù)工程設計的方法和先進控制理論，在此平臺進行開發(fā)設計，提高學生分析、設計和綜合的能力，有助于高素質的應用型人才的培養(yǎng)。