《運動控制系統(tǒng)》課程虛擬實驗的設(shè)計

　　摘 要： 針對《運動控制系統(tǒng)》課程實驗設(shè)備的限制及課程教學(xué)內(nèi)容的需要，衢州學(xué)院引入MATLAB/Simulink仿真平臺，在此基礎(chǔ)上逐步開發(fā)與課程相關(guān)的虛擬實驗項目。這些虛擬實驗項目的引用不僅豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，而且在一定程度上提高了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。
　　關(guān)鍵詞： 《運動控制系統(tǒng)》課程 MATLAB/Simulink 虛擬實驗
　　
　　1.引言
　　《運動控制系統(tǒng)》課程是電氣自動化專業(yè)和過程自動化專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，該課程信息量大，綜合性強，覆蓋面寬，是實踐性和應(yīng)用性很強的一門課程［１，２］。按照課程教學(xué)大綱的要求，學(xué)生至少要完成三個實驗：
　　（1）晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定實驗。
　　（2）單閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)實驗。
　　（3）雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實驗。
　　很明顯，學(xué)生面對的不再是簡單的基礎(chǔ)性或者驗證性實驗，而是綜合設(shè)計實驗。第一次使用如此復(fù)雜的元件、設(shè)備、儀器、儀表、導(dǎo)線、工具，大部分學(xué)生往往會無從著手，再加上缺乏前期專業(yè)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致在實驗過程中經(jīng)常性地發(fā)生誤操作。除此之外，課程無論理論學(xué)習(xí)還是從實踐設(shè)計，都由一個非常明顯的特點：綜合，也正是這一點讓大部分同學(xué)或因為困難，或因為缺少客觀目標(biāo)而缺乏學(xué)習(xí)興趣。針對以上問題，我院提出了在實踐教學(xué)中引入投資少、見效快的虛擬實驗［3］。
　　虛擬技術(shù)已被應(yīng)用到教學(xué)和科研的很多領(lǐng)域。利用現(xiàn)有的計算機資源在計算機平臺上開設(shè)一些虛擬實驗項目，不需要大量的儀器和設(shè)備，具有節(jié)省投資和場地投入的優(yōu)點。學(xué)生一旦掌握了虛擬實驗的方法，就能在計算機平臺上進行內(nèi)容更深入、更豐富的研究，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)實踐和創(chuàng)新能力。另外，實驗的圖文資料可以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容。
　　2．仿真平臺MATLAB/Simulink
　　由美國Math Works公司推出的Matlab仿真軟件是一款國際公認(rèn)的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件。它為許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。最新版MATLAB7中的電力系統(tǒng)仿真工具箱（Power System Blocksets），為運動控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計提供了一個極好的軟件平臺［4，5，6，7］。
　　在MATLAB環(huán)境下，利用Simulink仿真工具箱，采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的方法，可以在課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中方便地構(gòu)建出運動控制系統(tǒng)的仿真模型，輔助課堂教學(xué)和實驗教學(xué)。通過實時地顯示系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)和信號波形，可以加深學(xué)生對系統(tǒng)工作原理和相關(guān)基本概念的認(rèn)識與理解，提高學(xué)習(xí)興趣。
　　3．虛擬實驗的設(shè)計
　　在虛擬實驗內(nèi)容的安排上，我們參考了傳統(tǒng)實驗，由淺入深地安排了幾個經(jīng)典的仿真實例［8，9，10］，分別如下。
　　3.1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗
　　考慮到實驗的相似性，我們一開始就把開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路和同步脈沖晶閘管觸發(fā)電路設(shè)置成仿真子模塊，方便調(diào)用［7］。如下圖1所示，主電路由三相對稱交流電壓源（380V 50Hz）、晶閘管整流橋（Universal Bridge）、平波電抗器（serial RLC Branch）、直流電動機（DC machine）、直流勵磁電壓源（220V）等部分組成。而觸發(fā)觸發(fā)電路由1個同步6脈沖發(fā)生器（Synchronized 6-Pulse Generator）和3個電壓測量表（Voltage Measurment）組成。
　　通過仿真，可以得到大量的圖像數(shù)據(jù)結(jié)果并以此形象地說明調(diào)速性能的優(yōu)劣，由于篇幅限制，我們只采用速度曲線仿真結(jié)果來比較不同控制方式下的性能差別。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制電路中設(shè)置給定速度曲線為120rad/s，飽和限幅器的限值（130，0），完成圖2（a）連線，仿真結(jié)果顯示為圖2（b）。
　　3.2單閉環(huán)有靜差晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗
　　單閉環(huán)有靜差晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路和觸發(fā)電路連線、參數(shù)設(shè)置同圖1子模塊，但是控制電路的連線如圖3（a），這里的ASR我們采用一個gain（10）放大環(huán)節(jié)，并把轉(zhuǎn)速輸出以系數(shù)1反饋到輸入端。仿真結(jié)果如下圖3（b）。
　　3.3雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗
　　雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路如圖1，控制電路的連線如圖4（a），至于ASR和ACR兩個調(diào)節(jié)器我們采用兩個PID放大環(huán)節(jié)，而轉(zhuǎn)速和電流則分別以系數(shù)1和0.1反饋到相應(yīng)端。仿真結(jié)果如下圖3（b）。
　　4．結(jié)語
　　我們簡單地以三個運動控制系統(tǒng)中的典型實驗為對象進行了虛擬仿真，整個過程既不需要繁瑣的編程，又不需要推導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)雜的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，只需從工具箱的元件庫中復(fù)制所需的電氣元件，按電氣系統(tǒng)進行連接并適當(dāng)設(shè)置參數(shù)就可以實現(xiàn)，而且建模過程接近實際電路設(shè)計過程，適合學(xué)生在無人指導(dǎo)的情況下自行在計算機上完成設(shè)計和調(diào)試，甚至還可以拓展研究。至于仿真結(jié)果，可以幫助教師借助形象逼真的圖形語言講解復(fù)雜難懂的理論知識點，有助于學(xué)生理解掌握，如用以上三個仿真實驗說明開環(huán)系統(tǒng)輸出的易受擾動，單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)的速度超調(diào)和穩(wěn)定誤差的影響，以及雙閉環(huán)無靜差系統(tǒng)的動態(tài)特性，等等。
　　
　　參考文獻：
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　　［8］汪小平，洪乃剛，范國偉.電機和電力拖動控制系統(tǒng)課程虛擬實驗的開發(fā)［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，24，（5）:131-132.
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