基于MATLAB仿真的《機電傳動與控制》的教學改革

黃敏 陳豐 張華 張新偉

【摘要】通過分析機電傳動與控制課程的教學中存在的一些問題，知識點抽象、課堂演示困難、實驗學時少、缺乏創新型、設計型實驗及實驗資源有限等問題，在教學中引入MATLAB/Simulink仿真軟件激發學生學習的主動性、創新性，提高本課程的教學效果。

【關鍵詞】MATLAB仿真 機電傳動與控制 教學改革

【基金項目】安徽省省級重大教學研究項目《應用型本科高校創新創業教育、社會責任教育、實踐教育‘三位一體教學改革探索與實踐》（項目編號：2016jyxm0237）；安徽省省級一般教學研究項目《基于PDCA質量循環理論的應用型本科專業教育質量學校標準構建》 （項目編號：2016jyxm0251）；安徽省省級質量工程項目《機械電子工程專業卓越工程師教育培養計劃》（項目編號：2015zjjh021）。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）13-0222-02

1.引言

《機電傳動與控制》是機械電子工程專業的一門重要的核心課程。本課程主要內容分為機電傳動系統驅動元件、機電傳動系統控制兩部分，包括直流電機、交流電機、控制電機和傳動控制的基礎理論，控制電器和繼電器—接觸器控制系統，電力半導體器件，直流電動機以及步進電動機的開環和閉環控制系統等，其目的就是學習和掌握常見機電系統中的傳動與控制技術。該課程綜合了機械、電子、控制三大技術領域的知識，以機電系統為對象搭建控制系統，是結構復雜的非線性系統。而MATLAB中的Simulink環境可以根據需要搭建框圖建立系統的仿真模型，解決課堂上演示電機的啟動、調速、制動原理就變得輕而易取了，有利于提高學生對理論的理解和應用。

2.傳統教學模式的不足

首先，傳統的教學模式采用課堂教學與實驗教學結合的方式。在課堂教學中，由于采用板書與多媒體相結合的方式，課程的信息量大大增加了，使得學生仍處于被動的接受狀態，不利于學生理解復雜抽象的理論知識。機電傳動與控制實驗所需的儀器設備體積質量都比較大、難以用于課堂演示，使得課堂教學中效果不理想。其次，本課程實驗課時偏少、實驗類型單一。由于總的教學課時被壓縮，相應的實驗課時也被適當的減少，目前安徽科技學院機械電子工程專業本課程共48學時，其中理論40學時，實驗8學時。相對于所需要的課時，由于課時減少讓課程顯得很緊促，這大大影響了教學質量。現在，教學中的實驗主要以原理驗證性實驗為主，實驗類型比較初級，缺乏創新和設計性的綜合實驗，這與本課程設計的理念和現實工作的需要不相符。第三，相對有限的實驗設備，學生人數比較多，使得實驗課程的安排比較緊張、靠后。一般情況下，理論知識講完很長時間后相應的實驗才開始，實驗課程收不到預期的效果。在實驗課中，一般5-6人一組，每組只有1-2人在做實驗，很多學生沒有做實驗的興趣，上實驗課只是完成一項任務，存在渾水摸魚的現象。最終學生失去上實驗課的興趣，進而影響教學的效果。

針對以上存在的教學問題，授課教師可在教學過程中引入MATLAB/Simulink軟件進行實例仿真輔助教學。美國The Math Works公司推出的 MATLAB語言一直是國際科學界應用和影響最廣泛的三大計算機數學語言之一。在控制類學科中，MATLAB語言更是科學研究者首先的語言。MATLAB下提供的Simulink提供的模塊包括一般線性、非線性控制系統所需的模塊，也有更高層次的模塊，例如電氣系統模塊集中提供的電機模塊、SimMechanics提供的剛體及關節模塊等，這使得用戶可以輕易地對感興趣的系統進行仿真，得出希望的結果[1]。該軟件具有高效的數值處理、可視化建模和實時控制的原始內核，已成為適應多學科領域的不可或缺的研究平臺和教學工具傳統教學模式無法滿足該課程教學的需求。[2]因此將課程中涉及到的電和控制等方面的抽象知識通過Simulink仿真形象地表達出來，是本課程教學中值得探討的課題。

3.Simulink仿真的應用

啟動Simulink仿真，建立異步電動機拖動系統的仿真模型，可直觀獲得信號的動態變化過程和穩態參量，為電機拖動的研究和教學提供便利。[3] 建立三相鼠籠式異步電動機的直接啟動模型如圖1所示。所選電機參數如下：額定功率3.73kW，線電壓460V，頻率60Hz，定子電阻0.087Ω，漏感0.8mH，轉子電阻0.028Ω，漏感0.8mH，定轉子互感34.69mH，轉動慣量1.662kg·m 2，摩擦系數為0，電機極對數P=2。三相對稱交流電源相位互差120°，幅值為380V；三相異步電動機，給定負載轉矩20N·m。三相異步電動機的機械特性曲線如圖2-a所示，在電機啟動過程中電磁轉矩是震蕩的，穩定時與負載轉矩相等為20N·m；電機的轉速從0開始上升，最終到達穩定狀態，整個過程清晰可見。人為將輸入電壓調整為380V并保持其它參數不變，仿真后可以得到人為機械特性如圖2-b所示。可以得出當電源電壓降低后，機械特性由圖2-a向左平移，最大轉矩和啟動轉矩下降，但是穩定運行時的電磁轉矩不變。

圖1三相異步電機機械特性的仿真模型

a.固有機械特性 b.改變定子電壓時人為機械特性

圖2 三相異步電機機械特性曲線

在教學過程中，教師需要提前搭建好仿真模型。然后在課堂上先對三相異步電機的固有機械特性、人為特性理論知識進行講解；在講解的過程中由電磁轉矩的參數公式T=K■以及最大轉矩公式Tmax=K■[4]可以得到的結論是：降低電源電壓時，理想空載轉速n0和臨街轉差率sM不變，但是最大轉矩Tmax與U2成正比，所以最大轉矩大大減小，因此在繪制降低電源電壓的人為機械特性時，以固有機械特性為基礎，在不同的轉差率處，取固有機械特性上對應的轉矩乘以降低電壓與額定電壓比值的平方即可得到認為特性曲線。接著再通過課前搭建好的仿真模型進行演示，通過示波器或X-YGraph學生可清晰看到電動機啟動過程中轉速、電磁轉矩的變化；并現場修改電機某一參數同時其他參數保持不變來得到該電動機的人為特性曲線，并與固有特性曲線進行比較，與公式推導相比這里可以更形象地觀察到最大轉矩、啟動轉矩所發生的變化，增強學生的身臨其境的感受，有利于學生對理論知識的理解。除此之外，本課程中還有很多可以進行仿真教學的案例，比如直流電機的串級啟動、能耗制動，三相異步電機的能耗制動、反接制動等等，在合適的場合引入仿真教學案例以彌補目前教學中的一些不足，從而激發學生學習興趣的同時，引導學生運用所學知識進一步進行探索，提升創新能力，最終提高本課程的教學效果。

4.總結

仿真教學并不能取代真實實驗環境給學生帶來的影響，在教學過程中對仿真案例的選擇要慎重，只有在合適的節點插入相應的仿真案例才能取得良好的教學效果。本文通過分析本校機械電子工程專業《機電傳動與控制》課程目前的教學模式，針對教學過程的不足，運用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建電機運行的系統框圖，更形象地展示本課程相對應的知識點，通過實踐本課程的課堂教學效果得到了改善，同時學生反饋學習積極性高了，課堂氣氛也更加活躍。

參考文獻：

[1]薛定宇著.《控制系統計算機輔助設計——MATLAB語言與應用》（第三版）[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]徐志佳.基于MATLAB的機電傳動控制的仿真教學[J].貴陽學院學報，2014，9（3）：69-71.

[3]羅松江，劉毅.基于Simulink的異步電機電力拖動系統動態仿真[J]. 仲愷農業工程學院學報，2011，24（2）：64-66.

[4]馮秀清，鄧星鐘等編著.《機電傳動控制》（第五版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

作者簡介：

黃敏（1985- ），女（漢族），安徽鳳陽人，安徽科技學院機械工程學院助教，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。