運(yùn)動控制課程的實驗教學(xué)改革
——從理論到實踐

屈薇薇，敬會

（1. 西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽；2. 西南科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，四川 綿陽）

一 引言

運(yùn)動控制屬于電氣傳動控制學(xué)科范疇，以電機(jī)學(xué)（或電機(jī)與拖動）、電力電子技術(shù)、自動控制理論，微機(jī)數(shù)字控制技術(shù)等作為前期課程，是自動化和電氣工程及其自動化專業(yè)的一門綜合性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程。主要對直流調(diào)速和交流調(diào)速的基本概念、基本組成環(huán)節(jié)、數(shù)學(xué)模型、基本控制規(guī)律及設(shè)計方法，以及單閉環(huán)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法進(jìn)行分析與講解[1]。通過該門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)I(yè)基礎(chǔ)知識應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)的建模、計算與分析；能夠根據(jù)自動化系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，選擇合理化解決方案，包括系統(tǒng)方案、傳感器的選型、執(zhí)行部件的選擇、控制器的選擇等[2-3]。該課程重視基礎(chǔ)，加強(qiáng)了對學(xué)生分析能力訓(xùn)練，使學(xué)生能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜自動化系統(tǒng)進(jìn)行研究[4-5]。

然而對于運(yùn)動控制的理論學(xué)習(xí)，學(xué)生往往覺得比較抽象，對書本種的參數(shù)、性能指標(biāo)描述和數(shù)學(xué)模型沒有形象、直觀的認(rèn)知，缺乏感性認(rèn)識。實驗課是理論教學(xué)在具體應(yīng)用上的重要補(bǔ)充，注重實際操作技能，培養(yǎng)求實的科學(xué)實驗素養(yǎng)，鞏固課堂教學(xué)所學(xué)的理論知識[6-8]。然而對于傳統(tǒng)的實驗課，一方面學(xué)生會感覺內(nèi)容空洞，無法將實驗內(nèi)容與實驗?zāi)康南嗦?lián)系，在實驗過程中只知道調(diào)整參數(shù)卻不知道為何要調(diào)整該參數(shù)；另一方面由于受到學(xué)時、實驗設(shè)備數(shù)量、現(xiàn)場實驗條件等限制，使得實驗過程中難以做到每個學(xué)生都動手實踐，無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。基于上述問題，我們提出的一種新的實驗教學(xué)改革，通過理論學(xué)習(xí)、軟件仿真和實際實驗操作將理論知識、數(shù)學(xué)模型、參數(shù)調(diào)整和實際問題相聯(lián)系，理論結(jié)合實際，將抽象的理論知識具象化，使學(xué)生對原本抽象的理論描述有了更直觀的認(rèn)識，將知識感性化來降低學(xué)習(xí)難度，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時將理論知識從仿真到實驗，拓展到工程應(yīng)用的系統(tǒng)思維，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、綜合分析的能力。在本文中以單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析與設(shè)計為例對整個實驗教學(xué)改革進(jìn)行說明。

二 實驗內(nèi)容與任務(wù)

本實驗項目通過MULTISIM和MATLAB中的Simulink分別實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計和從開環(huán)到單閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[9-11]，將仿真設(shè)計結(jié)果在實際實驗平臺上實現(xiàn)[12]，完成穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)分析[13]、系統(tǒng)模型建立以及MATLAB仿真、實物效果展示等工作，分析并對比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和反饋系統(tǒng)靜特性，通過具體性能指標(biāo)對比描述反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性，總結(jié)反饋控制規(guī)律。

項目需要完成的任務(wù)：

(1) 利用Multisim軟件對調(diào)節(jié)器進(jìn)行特性分析。

(2) 利用MATLAB中的Simulink搭建直流電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)模型框圖，分析其調(diào)速性能指標(biāo)。

(3) 分析開環(huán)系統(tǒng)中存在的問題，提出解決方法。

(4) 利用MATLAB中的Simulink搭建直流電機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)模型框圖，分別使用比例放大器和比例積分調(diào)節(jié)器作為控制器，分析其調(diào)速性能指標(biāo)。

(5) 在實驗平臺上搭建開環(huán)系統(tǒng)并測定其外特性。

(6) 在實驗平臺上搭建閉環(huán)系統(tǒng)，分別使用比例放大器和比例積分調(diào)節(jié)器作為控制器，觀察并記錄實驗數(shù)據(jù)。

(7) 調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)負(fù)載，測定實驗數(shù)據(jù)并繪制系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線。

(8) 根據(jù)實驗實測數(shù)據(jù)，繪制并比較開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，利用所學(xué)理論知識對比較結(jié)果進(jìn)行解釋。

(9) 提高部分：在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)電流單閉環(huán)、電壓單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，分析這兩個閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性，總結(jié)反饋控制規(guī)律。

三 教學(xué)設(shè)計與實施進(jìn)程

本實驗的過程是一個具有實踐性的創(chuàng)新型工程試驗，通過本實驗可以使學(xué)生學(xué)會從工程思維角度解決問題，實驗設(shè)計構(gòu)思如圖1所示。

圖1 實驗設(shè)計構(gòu)思路

（一） 提出問題

通過工程實際問題分析討論實驗原理：某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min， 采 用 V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18Ω，電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s＜=5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？[14]

圖2 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

通過理論計算分析可知，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，那么如何解決這個問題？

（二） 分析問題

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為

開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為

如果要求D = 20，s ≤ 5%，則

由此可知，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。

（三） 解決問題

這里引入負(fù)反饋概念，引導(dǎo)學(xué)生回憶自控原理中的“檢測誤差，用以糾正誤差”，將上一節(jié)中的輸出量通過反饋傳遞到系統(tǒng)輸入端，構(gòu)成一個閉合的環(huán)路，由于被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，因此構(gòu)成的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速反饋控制，其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。通過比較開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可知，閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性硬得多，為了在一定靜差率的條件下提供調(diào)速范圍，須設(shè)置電壓放大器和轉(zhuǎn)速檢測與反饋裝置。

圖3 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（轉(zhuǎn)速負(fù)反饋）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

（四） 具體實現(xiàn)

具體實現(xiàn)主要分為Multisim仿真分析、MATLAB仿真分析、實物操作三部分，如圖4所示，各流程分別舉例如下：

圖4 具體實現(xiàn)

(1) 控制器 Multisim仿真實驗

利用Multisim軟件對比例、積分以及比例積分調(diào)節(jié)器分別進(jìn)行仿真，如圖5所示。要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上完成積分調(diào)節(jié)器和比例積分調(diào)節(jié)器的仿真電路并分析仿真結(jié)果。

圖5 積分電路及仿真結(jié)果

(2) MATLAB仿真分析

直流電動機(jī)的參數(shù)如表1所示。仿真過程如圖6所示[15]，在每一步仿真過程中由學(xué)生動手搭建仿真模型，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，提出所存在的問題，并給出下一步解決方案，以實現(xiàn)從開環(huán)調(diào)速到有靜差閉環(huán)調(diào)速到無靜差閉環(huán)調(diào)速的過程。同時在整個分析過程中結(jié)合上一步MULTISIM中的仿真回憶鞏固實現(xiàn)無靜差調(diào)速所需的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及參數(shù)條件。

表1 直流電機(jī)參數(shù)

圖6 Matlab仿真過程

(3) 實物操作

根據(jù)原理圖在裝置上進(jìn)行連線，完成基本單元的調(diào)試、電動機(jī)的開環(huán)特性測定以及轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)特性測定。

在完成調(diào)試基本單元部件，對調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)零、調(diào)整正負(fù)限幅值、整定反饋系數(shù)等工作后，設(shè)定給定電壓為負(fù)給定，轉(zhuǎn)速反饋電壓為正電壓，將圖7中的“調(diào)節(jié)器I”依次接成（1）比例（P）調(diào)節(jié)器和（2）PI（比例積分）調(diào)節(jié)器，分別對應(yīng)Matlab仿真中的閉環(huán)和無靜差。首先直流發(fā)電機(jī)輕載，從零開始逐漸增大給定電壓Ug，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近n=1000rpm。由小到大調(diào)節(jié)負(fù)載電阻R，測定相應(yīng)的Id和n，直至最大允許電流。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線n =f(Id)，并分析將“調(diào)節(jié)器I”設(shè)置為P調(diào)節(jié)器和PI調(diào)節(jié)器時調(diào)速系統(tǒng)特性的不同及原因。

圖7 單閉環(huán)直流調(diào)速原理圖

（五） 教學(xué)實施過程

本實驗項目包含自學(xué)預(yù)習(xí)、實驗操作、總結(jié)報告三個階段，要求學(xué)生獨(dú)立完成，所設(shè)計的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能正確運(yùn)行，具體過程如表2所示：

四 考核內(nèi)容與方式

成績構(gòu)成由三部分組成：預(yù)習(xí)、實驗和報告，評分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 考核內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

五 結(jié)語

本文主要介紹了將理論、仿真和實操相結(jié)合的新的運(yùn)動控制實驗教學(xué)思路，并以單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例說明了該思路的實際實現(xiàn)過程。該實驗是運(yùn)用反饋控制原理結(jié)合實際控制系統(tǒng)研究的綜合性案例，需要學(xué)生全面掌握單閉環(huán)控制回路的基本控制規(guī)律、直流電機(jī)調(diào)速的基本工作原理及其數(shù)學(xué)模型，能借助軟件仿真加深對器件和系統(tǒng)模型的理解，在實驗裝置上選擇合適的器件搭建系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試，能夠幫助學(xué)生結(jié)合工程實際由淺入深地理解反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性，總結(jié)反饋控制規(guī)律。新的實驗教學(xué)方法從實際出發(fā)，以解決問題為導(dǎo)向，將抽象的理論知識具象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過仿真與實物相結(jié)合進(jìn)行知識延展，學(xué)生需要舉一反三，通過對已有方案進(jìn)行分析、提出問題并思考新的方案解決問題，對知識能夠活學(xué)活用。整個教學(xué)過程將理論知識有效地應(yīng)用到具體實踐上，提升學(xué)生的知識應(yīng)用能力，充分調(diào)用學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和能動性，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、綜合分析的能力。