“控制電機”的創新性教學研究

高鵬 楊路

[摘 要] 在“控制電機”的傳統教學方法上，首先提出將Matlab/SIMULINK軟件全程引入該門課程的教學中來;其次提出將先進的控制理論引入日常教學，在學習新的控制理論知識的同時，還能夠提高學生利用仿真軟件編程的能力;最后提出結合新型的實驗操作平臺，提高學生的動手操作能力。這些創新性的教學方式和教學內容能夠在拓展學生學習知識的同時，也有效地提高了學生學習電機課程的積極性和興趣。

[關鍵詞] 電機;控制理論;仿真軟件

[基金項目] 2017年安徽省教育廳自然科學重點基金項目“媒體融合下基于增強現實的高校網站富媒體化建設研究”（KJ2017A471）

[作者簡介] 高 鵬（1984—），男，安徽阜陽人，銅陵學院電氣工程學院講師（通信作者），南京工業大學電氣與控制工程學院2018級工程熱物理專業博士研究生，研究方向為先進控制理論、機電控制;楊 路（1985—），女，安徽安慶人，安徽公安職業學院公安科技系講師，南京工業大學電氣與控制工程學院2019級工程熱物理專業博士研究生，研究方向為先進控制理論、機電控制。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0303-03? ? [收稿日期] 2020-04-06

由于我國的電機在各種工業領域得到廣泛的應用，“控制電機”作為電氣類專業學生一門重要的專業課，在我國的應用型本科院校得到廣泛的開設，該課程在培養高級電氣類應用型人才方面具有重要地位，該課程主要傳授各類電機的工作原理以及相關控制原理。目前的“控制電機”教學主要存在控制理論比較固定、理論傳授較為傳統、學生實驗動手能力不強等問題，為了解決這些問題，本文以永磁同步電機的轉速控制為例，分三部分闡述如何進行“控制電機”創新性教學。[1]

永磁同步電機目前被廣泛應用于各類工業場合。永磁同步電機由定子繞組和轉子永磁體組成。定子上的繞組通常是星形連接的，以減少雜散損耗。三相平衡交流電流與相位差的負載在三相永磁同步電機的固定繞組上，其中永磁同步電機的定子電壓如下。

一、Matlab/SIMULINK的應用

目前的“控制電機”課程主要還是以課堂教學為主，大多數本科高校的理論課時都在32個學時左右，本文提出在不改變目前課時分配的基礎上，將Matlab/SIMULINK軟件全程引入該門課程的教學中來，本節以永磁同步電機控制原理講解為例，利用SIMULINK庫中的永磁同步電機已有的模型結合課本進行教學，圖1為SIMULINK庫中的永磁同步電機模型。從圖1中，我們可以看出，我們可以根據需要設置該電機的永磁體的磁鏈、電機的極對數、旋轉慣性、定子繞組電阻等參數。

結合學生在前期課程中已經學習掌握的Clark變換和Park變換的知識，利用Matlab/SIMULINK軟件搭建永磁同步電機控制系統，該電機的控制原理框圖如圖2所示：

利用構建如圖2所示的永磁同步電機控制系統框圖指導學生在Matlab/SIMULINK軟件搭建如圖3所示的永磁同步電機轉速仿真圖，能夠加深學生對該類型電機控制理論的理解，并且通過Matlab/SIMULINK軟件的運算結果對電機的運行特性有了直觀的認識。

二、先進控制理論的應用

傳統的線性控制器由于其結構簡單，在永磁同步電機的控制中得到了廣泛的應用，在傳統的“控制電機”教學中線性控制理論占據主要地位。但由于永磁同步電機的未知擾動、時變、強耦合，傳統的線性控制器不能滿足高性能的控制要求[2，3]。因此，許多不同的高級控制理論被應用到提高永磁同步電機控制性能中來，如自抗擾控制、反步控制、有限時間控制、模型預測控制、模糊邏輯控制、分數階滑模控制和魯棒控制。本文將目前新型的控制理論，即：自抗擾控制理論和分數階滑模控制理論引入“控制電機”的教學中來。在引導學生學習新的控制理論知識的同時，還能夠提高學生利用仿真軟件編程的能力。

自抗擾控制理論是由傳統PID控制理論導出的，自抗擾控制理論比PID控制器具有更高的穩定性和魯棒性。非線性自抗擾控制理論是韓京清先生于2009年提出的，旨在開發一種替代經典PID的實用控制方法，自抗擾控制理論是一種不依賴于植物精確數學模型的新控制方法。自抗擾控制理論由跟蹤微分器（TD）、擴展狀態觀測器（ESO）和狀態誤差反饋（SEF）組成，TD用于安排瞬態過程，ESO用于估計系統的總擾動，SEF用于限制系統中的殘差，自抗擾控制理論強調使用ESO及時估計系統中的總擾動，包括內部未建模動力學和外部擾動。經過多年的發展，自抗擾控制理論不僅在理論上取得了很大的進步，而且在應用上也取得了很快的進步。在“控制電機”教學中，我們可以基于圖4講授基于自抗擾控制理論的電機控制理論和應用。

分數階滑模控制理論是近年來興起的一項新的控制理論。首先，由于滑模控制理論的魯棒性和簡單性，滑模控制理論已經被廣泛應用了幾十年，許多研究人員提出了幾種滑模控制理論策略。與整數階控制器相比，使用分數階積分器和微分器的額外自由度使得進一步提高控制效果成為可能。近年來，許多基于不同形式的分數階滑動面的滑模控制理論策略得到了廣泛的應用。教學中先教會學生掌握一定的分數階微積分的概念和定義，Riemann-liouville分數階導數和函數積分[3]：

再以分數階微積分為基礎結合滑模控制理論，教會學生掌握分數階滑模控制理論的基本概念和應用方法。

分數階滑模滑動面被定義為[3]：

在課堂教學中，結合Matlab/SIMULINK軟件完成算法（13）的編程工作，加深學生對這一新控制理論的理解和掌握。

三、實際電機控制系統的應用

實踐動手能力的培養，在本門課程中同樣占據重要地位。但目前電機控制平臺多是基于各型號DSP或者各類單片機，這些微處理器的學習對于普通本科院校的學生來說往往較為困難，這些學習困難也是造成目前控制電機課程學生不愿動手實際操作的一個重要原因。故本文引用一種新型的半實物實驗平臺到實踐教學中來，以提高學生的實際動手操作能力（見圖5）。該平臺是基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開發，包括電機控制仿真、信號采集、PWM產生、矢量變換等實驗內容，可作為電機控制課程的實驗平臺。該實驗平臺不需要針對TI TMS320F28335 DSP進行編程，該平臺使用cSPACE半實物實驗系統，可以直接將MATLAB/Simulink中的模塊語言轉變成DSP能夠識別的C語言，從而簡化了編程過程，降低了學生實際動手操作的門檻，可以大大提高學生動手的興趣，提高該門課程教學效果。

參考文獻

[1]李仁忠.《控制電機》的教學方法探索[J].教育教學論壇，2018（7）：188-189.

[2]S.Li，Z.Liu.Adaptive speed control for permanent-magnet synchronous motor system with variations of load inertia[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（8）：3050-3059.

[3]M. Zaihidee， S.Mekhilef，M.Mubin.Application of fractional order sliding mode control for speed control of permanent magnet synchronous motor[J].IEEE Access，2019（7）：101765-101774.