運動控制課程的實驗教學改革
——從理論到實踐

屈薇薇，敬會

（1. 西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽；2. 西南科技大學 計算機學院，四川 綿陽）

一 引言

運動控制屬于電氣傳動控制學科范疇，以電機學（或電機與拖動）、電力電子技術、自動控制理論，微機數字控制技術等作為前期課程，是自動化和電氣工程及其自動化專業的一門綜合性很強的專業核心課程。主要對直流調速和交流調速的基本概念、基本組成環節、數學模型、基本控制規律及設計方法，以及單閉環、雙閉環調速系統的工程設計方法進行分析與講解[1]。通過該門課程的學習，使學生能夠將專業基礎知識應用于自動控制系統的建模、計算與分析；能夠根據自動化系統的技術指標，選擇合理化解決方案，包括系統方案、傳感器的選型、執行部件的選擇、控制器的選擇等[2-3]。該課程重視基礎，加強了對學生分析能力訓練，使學生能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜自動化系統進行研究[4-5]。

然而對于運動控制的理論學習，學生往往覺得比較抽象，對書本種的參數、性能指標描述和數學模型沒有形象、直觀的認知，缺乏感性認識。實驗課是理論教學在具體應用上的重要補充，注重實際操作技能，培養求實的科學實驗素養，鞏固課堂教學所學的理論知識[6-8]。然而對于傳統的實驗課，一方面學生會感覺內容空洞，無法將實驗內容與實驗目的相聯系，在實驗過程中只知道調整參數卻不知道為何要調整該參數；另一方面由于受到學時、實驗設備數量、現場實驗條件等限制，使得實驗過程中難以做到每個學生都動手實踐，無法達到理想的教學效果?；谏鲜鰡栴}，我們提出的一種新的實驗教學改革，通過理論學習、軟件仿真和實際實驗操作將理論知識、數學模型、參數調整和實際問題相聯系，理論結合實際，將抽象的理論知識具象化，使學生對原本抽象的理論描述有了更直觀的認識，將知識感性化來降低學習難度，進一步激發學生的學習興趣。同時將理論知識從仿真到實驗，拓展到工程應用的系統思維，培養了學生自主學習、獨立思考、綜合分析的能力。在本文中以單閉環直流調速系統的分析與設計為例對整個實驗教學改革進行說明。

二 實驗內容與任務

本實驗項目通過MULTISIM和MATLAB中的Simulink分別實現PI調節器設計和從開環到單閉環的直流調速系統設計[9-11]，將仿真設計結果在實際實驗平臺上實現[12]，完成穩態調速性能指標分析[13]、系統模型建立以及MATLAB仿真、實物效果展示等工作，分析并對比開環系統機械特性和反饋系統靜特性，通過具體性能指標對比描述反饋閉環控制的優越性，總結反饋控制規律。

項目需要完成的任務：

(1) 利用Multisim軟件對調節器進行特性分析。

(2) 利用MATLAB中的Simulink搭建直流電機控制的開環系統模型框圖，分析其調速性能指標。

(3) 分析開環系統中存在的問題，提出解決方法。

(4) 利用MATLAB中的Simulink搭建直流電機控制的閉環系統模型框圖，分別使用比例放大器和比例積分調節器作為控制器，分析其調速性能指標。

(5) 在實驗平臺上搭建開環系統并測定其外特性。

(6) 在實驗平臺上搭建閉環系統，分別使用比例放大器和比例積分調節器作為控制器，觀察并記錄實驗數據。

(7) 調節直流發電機負載，測定實驗數據并繪制系統靜態特性曲線。

(8) 根據實驗實測數據，繪制并比較開環系統機械特性和單閉環直流調速系統的靜特性，利用所學理論知識對比較結果進行解釋。

(9) 提高部分：在轉速單閉環的基礎上設計并實現電流單閉環、電壓單閉環直流調速系統，分析這兩個閉環系統的機械特性，總結反饋控制規律。

三 教學設計與實施進程

本實驗的過程是一個具有實踐性的創新型工程試驗，通過本實驗可以使學生學會從工程思維角度解決問題，實驗設計構思如圖1所示。

圖1 實驗設計構思路

（一） 提出問題

通過工程實際問題分析討論實驗原理：某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數據如下：60kW、220V、305A、1000r/min， 采 用 V-M系統，主電路總電阻R=0.18Ω，電動機電動勢系數Ce=0.2V·min/r。如果要求調速范圍D=20，靜差率s＜=5%，采用開環調速能否滿足？若要滿足這個要求，系統的額定速降最多能有多少？[14]

圖2 開環調速系統的穩態結構圖

通過理論計算分析可知，開環調速系統的額定速降是275 r/min，而生產工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！開環調速已不能滿足要求，那么如何解決這個問題？

（二） 分析問題

當電流連續時，V-M系統的額定速降為

開環系統機械特性連續段在額定轉速時的靜差率為

如果要求D = 20，s ≤ 5%，則

由此可知，開環調速系統的額定速降是275 r/min，而生產工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！開環調速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環調速系統來解決這個問題。

（三） 解決問題

這里引入負反饋概念，引導學生回憶自控原理中的“檢測誤差，用以糾正誤差”，將上一節中的輸出量通過反饋傳遞到系統輸入端，構成一個閉合的環路，由于被調節量是轉速，因此構成的單閉環直流調速系統是轉速反饋控制，其穩態結構框圖如圖3所示。通過比較開環系統的機械特性和閉環系統的靜特性可知，閉環系統比開環系統的穩態特性硬得多，為了在一定靜差率的條件下提供調速范圍，須設置電壓放大器和轉速檢測與反饋裝置。

圖3 單閉環直流調速系統（轉速負反饋）穩態結構框圖

（四） 具體實現

具體實現主要分為Multisim仿真分析、MATLAB仿真分析、實物操作三部分，如圖4所示，各流程分別舉例如下：

圖4 具體實現

(1) 控制器 Multisim仿真實驗

利用Multisim軟件對比例、積分以及比例積分調節器分別進行仿真，如圖5所示。要求學生在此基礎上完成積分調節器和比例積分調節器的仿真電路并分析仿真結果。

圖5 積分電路及仿真結果

(2) MATLAB仿真分析

直流電動機的參數如表1所示。仿真過程如圖6所示[15]，在每一步仿真過程中由學生動手搭建仿真模型，對仿真結果進行分析，提出所存在的問題，并給出下一步解決方案，以實現從開環調速到有靜差閉環調速到無靜差閉環調速的過程。同時在整個分析過程中結合上一步MULTISIM中的仿真回憶鞏固實現無靜差調速所需的調節器結構及參數條件。

表1 直流電機參數

圖6 Matlab仿真過程

(3) 實物操作

根據原理圖在裝置上進行連線，完成基本單元的調試、電動機的開環特性測定以及轉速負反饋單閉環直流調速系統特性測定。

在完成調試基本單元部件，對調節器進行調零、調整正負限幅值、整定反饋系數等工作后，設定給定電壓為負給定，轉速反饋電壓為正電壓，將圖7中的“調節器I”依次接成（1）比例（P）調節器和（2）PI（比例積分）調節器，分別對應Matlab仿真中的閉環和無靜差。首先直流發電機輕載，從零開始逐漸增大給定電壓Ug，使電動機轉速接近n=1000rpm。由小到大調節負載電阻R，測定相應的Id和n，直至最大允許電流。根據實驗數據，畫出轉速負反饋單閉環直流調速系統的機械特性曲線n =f(Id)，并分析將“調節器I”設置為P調節器和PI調節器時調速系統特性的不同及原因。

圖7 單閉環直流調速原理圖

（五） 教學實施過程

本實驗項目包含自學預習、實驗操作、總結報告三個階段，要求學生獨立完成，所設計的單閉環直流調速系統能正確運行，具體過程如表2所示：

四 考核內容與方式

成績構成由三部分組成：預習、實驗和報告，評分標準如表3所示。

表3 考核內容及標準

五 結語

本文主要介紹了將理論、仿真和實操相結合的新的運動控制實驗教學思路，并以單閉環直流調速系統為例說明了該思路的實際實現過程。該實驗是運用反饋控制原理結合實際控制系統研究的綜合性案例，需要學生全面掌握單閉環控制回路的基本控制規律、直流電機調速的基本工作原理及其數學模型，能借助軟件仿真加深對器件和系統模型的理解，在實驗裝置上選擇合適的器件搭建系統并進行調試，能夠幫助學生結合工程實際由淺入深地理解反饋閉環控制的優越性，總結反饋控制規律。新的實驗教學方法從實際出發，以解決問題為導向，將抽象的理論知識具象化，激發學生的學習興趣。通過仿真與實物相結合進行知識延展，學生需要舉一反三，通過對已有方案進行分析、提出問題并思考新的方案解決問題，對知識能夠活學活用。整個教學過程將理論知識有效地應用到具體實踐上，提升學生的知識應用能力，充分調用學生的學習積極性和能動性，培養其自主學習、獨立思考、綜合分析的能力。