“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程群虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

摘要：利用Matlab/GUI，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程群的可視化虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建。該實(shí)踐平臺(tái)包含運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電機(jī)與拖動(dòng)和電力電力技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中典型的仿真模型和仿真實(shí)例分析，拓展了教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，幫助學(xué)生更直觀地理解課程群的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的研究、綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；課程群；Matlab/GUI；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G4

1.引言

\"運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)\"是新疆大學(xué)的精品課程，是電氣工程學(xué)院自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中一門很重要的專業(yè)核心課程[1]，是\"電力電子技術(shù)\"、\"自動(dòng)控制理論\"、\"電機(jī)與拖動(dòng)\"等課程應(yīng)用的綜合體現(xiàn)，涉及內(nèi)容較多，要學(xué)好該課程，需要多實(shí)踐、多了解生產(chǎn)實(shí)際和新技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[2，3]。學(xué)生在校學(xué)習(xí)，主要是通過(guò)書本學(xué)習(xí)理論知識(shí)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)了解甚少，實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)有限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不多等諸多因素[4，5，6]，制約了實(shí)驗(yàn)開出的數(shù)量和質(zhì)量。因此，如何加強(qiáng)課程的實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)急待解決的課題。

2.課程群虛擬實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)

采用Matlab/GUI開發(fā)的課程群虛擬實(shí)踐平臺(tái)，包含了課程\"運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)\"、\"電機(jī)與拖動(dòng)\"和\"電力電子技術(shù)\"的實(shí)踐內(nèi)容，通過(guò)此平臺(tái)，用戶可以設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，很方便地在界面上查看仿真結(jié)果，使用方便快捷，大大提高了仿真效率。

2.1 電機(jī)特性GUI設(shè)計(jì)

電機(jī)虛擬試驗(yàn)包含電機(jī)的起、制動(dòng)、調(diào)速、轉(zhuǎn)矩特性與機(jī)械特性的繪制等[2]，設(shè)計(jì)內(nèi)容為：調(diào)用電機(jī)圖片，加載實(shí)例，查看公式等功能，調(diào)用另一個(gè)GUI，打開公式圖片；通過(guò)按鈕來(lái)回調(diào)電機(jī)特性的m文件，在GUI界面中輸入相應(yīng)參數(shù)及仿真時(shí)間，即可觀察到相應(yīng)特性曲線，如圖1所示。

圖1 電機(jī)特性的仿真界面

2.2 電力電子技術(shù)GUI設(shè)計(jì)

電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)，包含了整流、直流斬波、交流調(diào)壓、PWM逆變等內(nèi)容[3]。搭建Simulink模型，在設(shè)計(jì)的GUI界面中，輸入元件參數(shù)與仿真時(shí)間，運(yùn)用simset命令，改變Simulink模型中的參數(shù)，仿真時(shí)起動(dòng)后臺(tái)的Simulink，導(dǎo)出波形，在GUI界面中，可方便顯示出仿真的整流波形，單相全波可控整流的仿真界面如圖3。

圖2 單相全波可控整流的仿真結(jié)果

2.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與GUI設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，包含了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)計(jì)算、調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和曲線繪制等。結(jié)合文獻(xiàn)[1]，采用M文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，可方便對(duì)其進(jìn)行求解，不僅可以求解相關(guān)的習(xí)題，還設(shè)計(jì)了\"查看公式\"按鈕，便于查看使用的公式，為相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)提供了方便，其中雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電流調(diào)節(jié)器ACR和速度調(diào)節(jié)器ASR傳遞函數(shù)中的參數(shù)計(jì)算，電流環(huán)和速度環(huán)的階躍響應(yīng)與伯德圖繪制，調(diào)節(jié)器裝置、相關(guān)傳遞函數(shù)與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的顯示等[6]。兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用工程設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)，電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)思想基本類似，在可視的圖形窗口繪出電流環(huán)的伯德圖；添加一些功能按鈕，用戶在填好參數(shù)后，單擊確定按鈕就可方便的得到仿真結(jié)果，同時(shí)也可以通過(guò)\"加載事例\"按鈕，來(lái)得到\"加載實(shí)例\"的結(jié)果和波形，電流環(huán)伯德圖繪制的GUI界面如圖3所示。

圖3 電流環(huán)伯德圖繪制的GUI界面

圖3所示界面，實(shí)現(xiàn)了階躍響應(yīng)、BODE圖和電流波形等曲線的繪制，還可以調(diào)用SIMULINK來(lái)完成仿真，對(duì)電流環(huán)的頻域指標(biāo)相位裕量和剪切頻率，時(shí)域指標(biāo)超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行了求解，系統(tǒng)性能分析等。

3.結(jié)束語(yǔ)

借助Matlab/GUI實(shí)現(xiàn)了三門相關(guān)課程虛擬實(shí)踐平臺(tái)的開發(fā)，針對(duì)不同課程、不同內(nèi)容，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電機(jī)與拖動(dòng)和電力電力技術(shù)課程的相關(guān)計(jì)算進(jìn)行快速求解，完成圖形繪制等。運(yùn)用GUIDE直觀顯示及界面輔助用戶查詢的功能，使得界面形象、操作簡(jiǎn)單。用戶只需在提示框中，輸入實(shí)際系統(tǒng)的已知參數(shù)，就可以得到相應(yīng)的仿真結(jié)果，為從事自動(dòng)化專業(yè)的工作人員、教師和學(xué)生提供了便捷的分析平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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[6]尚麗，淮文軍.基于Matlab/Simulink和GUI的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（6）：66-71