工程教育專業認證下電力拖動與自動控制系統仿真教學探索*

摘" 要" 針對電力拖動與自動控制系統教學中存在的問題，結合電氣工程專業認證培養目標和畢業要求，分析MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統教學中的應用，并且通過MATLAB搭建PMSM矢量控制系統的教學實踐體系。仿真結果表明，基于MATLAB仿真軟件的電力拖動與自動控制系統教學實踐方案，不僅能增強學生的積極性，降低理論課授課難度，而且能培養學生創新和思維能力，為培養新工科人才奠定良好基礎。

關鍵詞" 新工科；工程教育；MATLAB仿真軟件；電氣工程及其自動化；電力拖動與自動控制系統；仿真教學

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）23-0127-05

0" 引言

目前，世界高等工程教育改革創新面臨新機遇、新挑戰。我國“互聯網+”“網絡強國”“一帶一路”等戰略和倡議推進創新驅動發展，新技術、新產業、新需求等帶動新經濟迅速發展，牢牢抓住新技術的創新和新產業的發展機遇，對新經濟、新產業與新技術背景下培養大批新工科專業人才提出更高要求和挑戰，積極推動工程教育改革創新已成為政產學研各界的共識[1-2]。在新興工程專業認證背景下，未來新興技術創新和新產業需求挖掘出實際工程的復雜問題，根據工程專業理論知識分析復雜工程問題，并且通過科學方法對復雜工程問題解決方案進行研究，構建合理的實驗體系，對實驗數據進行分析與解釋，最終歸納獲得合理、有效和可靠的結論，同時培養出創新和思維能力強的高素質復合型新工科人才[3]。

電力拖動與自動控制系統是以電動機作為驅動被控對象，控制器為中央處理核心，電力電子技術變換裝置為弱電控制的執行機構，在自動控制理論或先進智能控制理論的協助下組成的自動控制系統。隨著科技的快速發展[4]，電力拖動與自動控制系統在航天航空控制、智能化農業、新能源等領域得到廣泛應用，并且扮演著重要的角色。本文在新時期工程專業認證背景下探索MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統教學仿真中的應用，并且為電氣工程及其自動化專業后續學科課程設計、本科生畢業設計以及相關課程的實踐教學提供參考和借鑒。

電力拖動與自動控制系統是電氣工程及其自動化本科專業教學計劃中的一門主干課程。在自動控制理論的基礎之上，電機控制系統作為被控制對象，以研究系統的控制規律為主線，講述交、直流控制系統的結構、組成、工作原理和動靜態性能，學習電力拖動與自動控制系統的設計方法，并介紹典型系統和應用實例。鑒于該課程是多門學科相互交叉的綜合性較強的學科，對該課程進行教學改革是新時期工程專業認證的必然要求。電力拖動與自動控制系統是實踐性非常強的工程專業學科，由于各部分內容理論性強、結構復雜，僅靠課堂理論教學，學生難以理解和掌握，需利用MATLAB仿真軟件輔助理論教學，將電力拖動與自動控制系統課程與實踐仿真教學緊密結合，使抽象內容具體化、可視化。通過仿真教學，學生能夠徹底掌握和理解直、交流調速系統的靜動態特性，并且能夠深刻掌握運動控制系統的工程設計以及參數的測量和整定等方法，從而有效地提高分析和解決復雜問題的能力。通過實踐操作和自我探索，學生可以提升學習的積極性，激發創新精神，為設計出合理可靠的自動控制系統打下堅定的基礎，從而真正落實新時期高等工程專業認證的要求。

1" MATLAB仿真軟件

目前，MATLAB是面向工程與科學計算的最佳仿真軟件，具有易操作、使用靈活、功能較強和開放性強等優點，并且具有良好的模塊化仿真環境和面向對象的匯編語言、強大的數據庫和圖形處理能力，因此在電氣工程及其自動化專業教學中得到廣泛應用。

MATLAB中的Simulink仿真軟件是Windows與用戶模塊化圖形交換界面，其良好的用戶界面方便添加用戶需要的模塊以及進行相關參數設置，從而實現對整個系統仿真模型的搭建過程，并對電氣工程相關專業教學實踐內容進行可視化建模與分析，使其復雜交錯的教學內容與實踐仿真相結合，有效地實現復雜內容簡單化，幫助學生更好地掌握和理解相關學科的理論知識。

此外，M文件為Simulink軟件中的一種具備特殊功能的工具，能夠利用MATLAB、C、C++、Ada或Fortran等匯編語言進行自定義，可根據用戶的不同需求來匯編出可讀性強的代碼程序以及構建出特殊功能的相關仿真模型。例如：利用M文件中的S函數（即S-function）建立微分和積分的數學模型，主要由函數名模塊（function[sys，x0，str，ts]=pmsm （t，x，u，flag，parameters））、初始化模塊（function[sys，x0，str，ts]=mdlInitializeSizes）、微分狀態模塊（Functionsys=mdlDerivatives（t，x，u，parameters））和系統輸出模塊（functionsys=mdlOutputs（t，x，u））等四部分組成。其中，當Simu-link軟件借調M文件中的S-function函數時，將時間、狀態變量、輸入量和標志符（即t、x、u和flag）作為S-function的函數參數。用戶可以通過Simulink環境向S-function設置特定的參數值，主要有標準參數和附加參數，其參數設置如圖1所示。

由圖1可知，在S-function模塊外界面對話框S-function parameters中來實現特定參數值的設置，并且便于用戶實時操作；S-function模塊外界面對話框由標準參數對話框和附加參數對話框兩部分組成，標準參數對話框可指定固定不變的參數值，而附加參數對話框可用來設置特殊或者可變的參數值，在S-function中各自具有獨立的參數表，并且S-function中的參數表順序與外界面對話框中的參數順序相一致；同時，用戶可利用S-function模塊外界面對話框調節特定參數，使其S-function模塊輸出滿足用戶的特殊功能要求。因此，在電力拖動與自動控制系統教學實踐中，利用MATLAB仿真軟件不僅能夠很好地滿足教學的需求，而且能夠提高教學質量，培養學生的操作能力和思考能力。

2" 基于MATLAB的三相永磁同步電機矢量控制系統建模與仿真分析

MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統教學實踐仿真中獲得廣泛應用，并且能夠搭建仿真數學模型以及進行數據處理與特性分析，其中控制系統主要包括轉速反饋控制直流調速、轉速和電流環雙閉環反饋控制直流調速、異步電動機定向磁鏈矢量控制、異步電動機直接轉矩控制、永磁同步電機定向磁鏈矢量控制、交流伺服電機控制。三相永磁同步電機定向磁鏈矢量控制屬于MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統中應用的典型實例，主要由三相永磁同步電機（Permanent Magnet Syn-

chronous Motor，PMSM）、電力電子技術交流器裝置、控制器以及信號檢測與處理等重要環節組成，并且研究分析其各環節的工作原理、靜動特性等。

綜上所述，本文以最經典的三相永磁同步電機矢量控制系統為例，詳細闡述MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統教學中的應用。

2.1" 三相永磁同步電機矢量控制系統仿真模型與參數

為了更好地闡述MATLAB仿真軟件有效性和可靠性，以及在電力拖動與自動控制系統教學中的應用效果，針對三相永磁同步電機矢量控制系統，在MATALB環境中利用Simulink模塊和M文件中的S函數模塊來構建三相永磁同步電機矢量控制系統的仿真模型，其中主要由轉速和電流環PI控制器模塊、SVPWM調制算法模塊、三相永磁同步電機模塊，abc/dq坐標系變換模塊以及測量和顯示模塊等部分組成。仿真模型如圖2所示。仿真模型所涉及的主要參數如表1所示。

2.2" 轉速外環調節器

轉速外環調節器是實現實際轉速跟蹤設定參考值的控制器，目前最常用的控制方法有PI控制、滑模控制、智能控制和模型預測控制等。在實際應用中，PI控制器是最常見的轉速外環調節器，與其他控制相比，PI控制器具有響應速度快、跟蹤性強和易實現等特點，因此，本系統采用基于PI控制的轉速調節器。在機械運動方程的數學模型基礎之上，利用自動控制理論中的典型Ⅱ系統來實現PI控制器的設計和參數整定，并且整定參數與系統動態性能之間存在緊密關系，此種方法設計和參數整定簡單易行，從而可以獲得準確的PI控制器數學模型，如圖3所示。

2.3" 電流內環控制器

電流內環控制器是實現三相永磁同步電機矢量控制系統快速啟動和制動的重要環節，電流內環控制方法主要有定子磁鏈矢量控制、直接轉矩控制和先進智能控制等。本文采用d軸零電流矢量控制，即電流內環采用idref=0控制，其實質是基于前饋解耦補償的PI控制器，從而實現對交直耦合電動勢進行完全解耦控制。根據在dq軸坐標系下的三相永磁同步電機的定子電流狀態微分方程，再次結合自動控制理論中的典型I系統對PI電流內環調節器的參數進行整定與設計，主要是內模控制的原理。利用Simulink軟件搭建dq軸坐標系下電流內環調節器的仿真模型，如圖4和圖5所示。圖4和圖5仿真表明，搭建的仿真模型和理論模型完全一致。

2.4" SVPWM算法模塊

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modula-tion，空間矢量脈寬調制）算法實質是磁場和電壓空間矢量之間的關系，并且電動機在空間可形成旋轉磁場，最終保證電磁轉矩恒定。SVPWM算法實現過程：首先，判斷參考電壓矢量所在的扇區；其次，通過參考電壓矢量合成原則確定非零矢量和零矢量作用時間以及扇區矢量切換點；最后，利用固定周期的三角載波與扇區矢量切換點進行比較，從而獲得實時調制的PWM脈沖信號。由于Simulink軟件能夠搭建正確的SVPWM算法的仿真模型，但是其實現過程比較復雜、排除錯誤困難，因此，本文采用M文件中S-function編程來搭建SVPWM算法的仿真模型，如圖6所示。

2.5" 仿真與分析

圖2給出三相永磁同步電機矢量控制系統的仿真模型，假設系統仿真時間為0.2 s，系統帶載啟動（1 N·m），在0.1 s時負載突增至3 N·m。圖7給出在不同負載情況下三相PMSM系統的三相電流、a相電流諧波值、轉速和電磁轉矩的響應波形圖。由圖7可知，在啟動時，三相永磁同步電機控制系統具有較大幅值的電流值，穩態時電流光滑平穩，并且a相電流諧波值為THD=9.2%，說明電流諧波含量較高。同理，根據轉速和電磁轉矩的波形，可直觀地進一步驗證系統的動態性能，如跟隨性能和抗干擾性。其中，跟隨性能評價指標有超調量、上升時間、調節時間等，抗干擾性能評價指標主要有動態降落和恢復時間。

利用MATLAB仿真軟件可有效地構建出三相永磁同步電機矢量控制系統的仿真模型，仿真圖形與教材中的示例圖形完全一致。該仿真模型可有效、可靠地驗證三相永磁同步電機的機械特性、動靜態特性、SVPWM算法、雙閉環控制以及參數整定等問題。

將MATLAB仿真軟件引入電力拖動與自動控制系統課程的實踐教學中，不僅具有直觀、簡單和高效等特點，有利于學生深入地學習電力拖動與自動控制系統的工作原理以及整個實現過程，而且能夠生動形象展示課程相關理論知識，易于學生掌握和理解，同時進一步增強學生學習積極性和主動性，培養學生創新和思維能力，為后續工作與相關學習打下良好的基礎。

3" 結束語

MATLAB仿真軟件融入電力拖動與自動控制系統實踐教學，具有良好的圖形模塊展示、直觀易懂和容易排查錯誤等優點，可以有效地激發學生的積極性和學習興趣，并且能夠培養學生的創新思維能力和動手能力，進一步加深學生對抽象的理論知識的理解和掌握，從而獲得良好的教學質量和效果。同時，利用MATLAB仿真軟件協助開展電力拖動與自動控制系統課程教學，便于復雜控制模塊的研究分析，并且能使抽象的理論知識更加形象化、直觀化，有助于學生擺脫純理論教學過程中的枯燥、煩瑣等問題。通過理論知識與實踐相結合，可以幫助學生更加深入地理解電力拖動與自動控制系統中各個模塊的工作原理以及仿真模型的實現過程，從而提高學生解決與分析復雜工程問題的能力。

綜上所述，在工程教育專業認證背景下，探索MATLAB仿真軟件在電力拖動自動化控制系統課程中的仿真教學方法，有助于高等教育改革創新，有助于推進我國新型工業化進程，為我國培養出具備解決與分析復雜問題能力、科技創新能力和獨立思考能力的高素質復合型新工科人才。

參考文獻

[1] 陳榮，王永軍.新工科背景下電力電子技術課程仿真教學的實踐探索[J].教育現代化，2018，5（49）：226-228.

[2] 馮俊軍.新工科下熱工學課程知識體系構建與教學應用[J].黑龍江工業學院學報（綜合部），2019，19（3）：9-12.

[3] 王憲磊.基于MATLAB的電力拖動自動控制系統課程教學改革探討[J].中國教育技術裝備，2016（10）：14-15.

[4] 胡朝燕，陳珍萍，李澤，等.基于Matlab的電力拖動自動控制系統實驗教學[J].中國電力教育，2020，3（10）：87-89.

*基金項目：2021年度石河子大學校級過程性考核示范課程教改項目。

作者：許偉奇，石河子大學機械電氣工程學院，助教，研究方向為永磁同步電機控制以及容錯控制策略；龔立嬌，通信作者，石河子大學機械電氣工程學院，博士，教授，研究方向為新型能量采集技術、新能源發電、電能無線傳輸等；劉晨，石河子大學機械電氣工程學院，講師，研究方向為電機控制（832000）。