工程教育專業(yè)認(rèn)證下電力拖動與自動控制系統(tǒng)仿真教學(xué)探索*

摘" 要" 針對電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合電氣工程專業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，分析MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用，并且通過MATLAB搭建PMSM矢量控制系統(tǒng)的教學(xué)實踐體系。仿真結(jié)果表明，基于MATLAB仿真軟件的電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)實踐方案，不僅能增強學(xué)生的積極性，降低理論課授課難度，而且能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和思維能力，為培養(yǎng)新工科人才奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞" 新工科；工程教育；MATLAB仿真軟件；電氣工程及其自動化；電力拖動與自動控制系統(tǒng)；仿真教學(xué)

中圖分類號：G642.0" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）23-0127-05

0" 引言

目前，世界高等工程教育改革創(chuàng)新面臨新機遇、新挑戰(zhàn)。我國“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡(luò)強國”“一帶一路”等戰(zhàn)略和倡議推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新需求等帶動新經(jīng)濟迅速發(fā)展，牢牢抓住新技術(shù)的創(chuàng)新和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機遇，對新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)與新技術(shù)背景下培養(yǎng)大批新工科專業(yè)人才提出更高要求和挑戰(zhàn)，積極推動工程教育改革創(chuàng)新已成為政產(chǎn)學(xué)研各界的共識[1-2]。在新興工程專業(yè)認(rèn)證背景下，未來新興技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)業(yè)需求挖掘出實際工程的復(fù)雜問題，根據(jù)工程專業(yè)理論知識分析復(fù)雜工程問題，并且通過科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題解決方案進(jìn)行研究，構(gòu)建合理的實驗體系，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解釋，最終歸納獲得合理、有效和可靠的結(jié)論，同時培養(yǎng)出創(chuàng)新和思維能力強的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[3]。

電力拖動與自動控制系統(tǒng)是以電動機作為驅(qū)動被控對象，控制器為中央處理核心，電力電子技術(shù)變換裝置為弱電控制的執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論或先進(jìn)智能控制理論的協(xié)助下組成的自動控制系統(tǒng)。隨著科技的快速發(fā)展[4]，電力拖動與自動控制系統(tǒng)在航天航空控制、智能化農(nóng)業(yè)、新能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且扮演著重要的角色。本文在新時期工程專業(yè)認(rèn)證背景下探索MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)仿真中的應(yīng)用，并且為電氣工程及其自動化專業(yè)后續(xù)學(xué)科課程設(shè)計、本科生畢業(yè)設(shè)計以及相關(guān)課程的實踐教學(xué)提供參考和借鑒。

電力拖動與自動控制系統(tǒng)是電氣工程及其自動化本科專業(yè)教學(xué)計劃中的一門主干課程。在自動控制理論的基礎(chǔ)之上，電機控制系統(tǒng)作為被控制對象，以研究系統(tǒng)的控制規(guī)律為主線，講述交、直流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理和動靜態(tài)性能，學(xué)習(xí)電力拖動與自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，并介紹典型系統(tǒng)和應(yīng)用實例。鑒于該課程是多門學(xué)科相互交叉的綜合性較強的學(xué)科，對該課程進(jìn)行教學(xué)改革是新時期工程專業(yè)認(rèn)證的必然要求。電力拖動與自動控制系統(tǒng)是實踐性非常強的工程專業(yè)學(xué)科，由于各部分內(nèi)容理論性強、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅靠課堂理論教學(xué)，學(xué)生難以理解和掌握，需利用MATLAB仿真軟件輔助理論教學(xué)，將電力拖動與自動控制系統(tǒng)課程與實踐仿真教學(xué)緊密結(jié)合，使抽象內(nèi)容具體化、可視化。通過仿真教學(xué)，學(xué)生能夠徹底掌握和理解直、交流調(diào)速系統(tǒng)的靜動態(tài)特性，并且能夠深刻掌握運動控制系統(tǒng)的工程設(shè)計以及參數(shù)的測量和整定等方法，從而有效地提高分析和解決復(fù)雜問題的能力。通過實踐操作和自我探索，學(xué)生可以提升學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)創(chuàng)新精神，為設(shè)計出合理可靠的自動控制系統(tǒng)打下堅定的基礎(chǔ)，從而真正落實新時期高等工程專業(yè)認(rèn)證的要求。

1" MATLAB仿真軟件

目前，MATLAB是面向工程與科學(xué)計算的最佳仿真軟件，具有易操作、使用靈活、功能較強和開放性強等優(yōu)點，并且具有良好的模塊化仿真環(huán)境和面向?qū)ο蟮膮R編語言、強大的數(shù)據(jù)庫和圖形處理能力，因此在電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。

MATLAB中的Simulink仿真軟件是Windows與用戶模塊化圖形交換界面，其良好的用戶界面方便添加用戶需要的模塊以及進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)仿真模型的搭建過程，并對電氣工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)實踐內(nèi)容進(jìn)行可視化建模與分析，使其復(fù)雜交錯的教學(xué)內(nèi)容與實踐仿真相結(jié)合，有效地實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)容簡單化，幫助學(xué)生更好地掌握和理解相關(guān)學(xué)科的理論知識。

此外，M文件為Simulink軟件中的一種具備特殊功能的工具，能夠利用MATLAB、C、C++、Ada或Fortran等匯編語言進(jìn)行自定義，可根據(jù)用戶的不同需求來匯編出可讀性強的代碼程序以及構(gòu)建出特殊功能的相關(guān)仿真模型。例如：利用M文件中的S函數(shù)（即S-function）建立微分和積分的數(shù)學(xué)模型，主要由函數(shù)名模塊（function[sys，x0，str，ts]=pmsm （t，x，u，flag，parameters））、初始化模塊（function[sys，x0，str，ts]=mdlInitializeSizes）、微分狀態(tài)模塊（Functionsys=mdlDerivatives（t，x，u，parameters））和系統(tǒng)輸出模塊（functionsys=mdlOutputs（t，x，u））等四部分組成。其中，當(dāng)Simu-link軟件借調(diào)M文件中的S-function函數(shù)時，將時間、狀態(tài)變量、輸入量和標(biāo)志符（即t、x、u和flag）作為S-function的函數(shù)參數(shù)。用戶可以通過Simulink環(huán)境向S-function設(shè)置特定的參數(shù)值，主要有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和附加參數(shù)，其參數(shù)設(shè)置如圖1所示。

由圖1可知，在S-function模塊外界面對話框S-function parameters中來實現(xiàn)特定參數(shù)值的設(shè)置，并且便于用戶實時操作；S-function模塊外界面對話框由標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對話框和附加參數(shù)對話框兩部分組成，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對話框可指定固定不變的參數(shù)值，而附加參數(shù)對話框可用來設(shè)置特殊或者可變的參數(shù)值，在S-function中各自具有獨立的參數(shù)表，并且S-function中的參數(shù)表順序與外界面對話框中的參數(shù)順序相一致；同時，用戶可利用S-function模塊外界面對話框調(diào)節(jié)特定參數(shù)，使其S-function模塊輸出滿足用戶的特殊功能要求。因此，在電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)實踐中，利用MATLAB仿真軟件不僅能夠很好地滿足教學(xué)的需求，而且能夠提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和思考能力。

2" 基于MATLAB的三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)建模與仿真分析

MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)實踐仿真中獲得廣泛應(yīng)用，并且能夠搭建仿真數(shù)學(xué)模型以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與特性分析，其中控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速、轉(zhuǎn)速和電流環(huán)雙閉環(huán)反饋控制直流調(diào)速、異步電動機定向磁鏈?zhǔn)噶靠刂啤惒诫妱訖C直接轉(zhuǎn)矩控制、永磁同步電機定向磁鏈?zhǔn)噶靠刂啤⒔涣魉欧姍C控制。三相永磁同步電機定向磁鏈?zhǔn)噶靠刂茖儆贛ATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用的典型實例，主要由三相永磁同步電機（Permanent Magnet Syn-

chronous Motor，PMSM）、電力電子技術(shù)交流器裝置、控制器以及信號檢測與處理等重要環(huán)節(jié)組成，并且研究分析其各環(huán)節(jié)的工作原理、靜動特性等。

綜上所述，本文以最經(jīng)典的三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述MATLAB仿真軟件在電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1" 三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型與參數(shù)

為了更好地闡述MATLAB仿真軟件有效性和可靠性，以及在電力拖動與自動控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用效果，針對三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，在MATALB環(huán)境中利用Simulink模塊和M文件中的S函數(shù)模塊來構(gòu)建三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，其中主要由轉(zhuǎn)速和電流環(huán)PI控制器模塊、SVPWM調(diào)制算法模塊、三相永磁同步電機模塊，abc/dq坐標(biāo)系變換模塊以及測量和顯示模塊等部分組成。仿真模型如圖2所示。仿真模型所涉及的主要參數(shù)如表1所示。

2.2" 轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器

轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器是實現(xiàn)實際轉(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定參考值的控制器，目前最常用的控制方法有PI控制、滑模控制、智能控制和模型預(yù)測控制等。在實際應(yīng)用中，PI控制器是最常見的轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器，與其他控制相比，PI控制器具有響應(yīng)速度快、跟蹤性強和易實現(xiàn)等特點，因此，本系統(tǒng)采用基于PI控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在機械運動方程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，利用自動控制理論中的典型Ⅱ系統(tǒng)來實現(xiàn)PI控制器的設(shè)計和參數(shù)整定，并且整定參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)性能之間存在緊密關(guān)系，此種方法設(shè)計和參數(shù)整定簡單易行，從而可以獲得準(zhǔn)確的PI控制器數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

2.3" 電流內(nèi)環(huán)控制器

電流內(nèi)環(huán)控制器是實現(xiàn)三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)快速啟動和制動的重要環(huán)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)控制方法主要有定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂啤⒅苯愚D(zhuǎn)矩控制和先進(jìn)智能控制等。本文采用d軸零電流矢量控制，即電流內(nèi)環(huán)采用idref=0控制，其實質(zhì)是基于前饋解耦補償?shù)腜I控制器，從而實現(xiàn)對交直耦合電動勢進(jìn)行完全解耦控制。根據(jù)在dq軸坐標(biāo)系下的三相永磁同步電機的定子電流狀態(tài)微分方程，再次結(jié)合自動控制理論中的典型I系統(tǒng)對PI電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定與設(shè)計，主要是內(nèi)模控制的原理。利用Simulink軟件搭建dq軸坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的仿真模型，如圖4和圖5所示。圖4和圖5仿真表明，搭建的仿真模型和理論模型完全一致。

2.4" SVPWM算法模塊

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modula-tion，空間矢量脈寬調(diào)制）算法實質(zhì)是磁場和電壓空間矢量之間的關(guān)系，并且電動機在空間可形成旋轉(zhuǎn)磁場，最終保證電磁轉(zhuǎn)矩恒定。SVPWM算法實現(xiàn)過程：首先，判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)；其次，通過參考電壓矢量合成原則確定非零矢量和零矢量作用時間以及扇區(qū)矢量切換點；最后，利用固定周期的三角載波與扇區(qū)矢量切換點進(jìn)行比較，從而獲得實時調(diào)制的PWM脈沖信號。由于Simulink軟件能夠搭建正確的SVPWM算法的仿真模型，但是其實現(xiàn)過程比較復(fù)雜、排除錯誤困難，因此，本文采用M文件中S-function編程來搭建SVPWM算法的仿真模型，如圖6所示。

2.5" 仿真與分析

圖2給出三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，假設(shè)系統(tǒng)仿真時間為0.2 s，系統(tǒng)帶載啟動（1 N·m），在0.1 s時負(fù)載突增至3 N·m。圖7給出在不同負(fù)載情況下三相PMSM系統(tǒng)的三相電流、a相電流諧波值、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)波形圖。由圖7可知，在啟動時，三相永磁同步電機控制系統(tǒng)具有較大幅值的電流值，穩(wěn)態(tài)時電流光滑平穩(wěn)，并且a相電流諧波值為THD=9.2%，說明電流諧波含量較高。同理，根據(jù)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的波形，可直觀地進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能，如跟隨性能和抗干擾性。其中，跟隨性能評價指標(biāo)有超調(diào)量、上升時間、調(diào)節(jié)時間等，抗干擾性能評價指標(biāo)主要有動態(tài)降落和恢復(fù)時間。

利用MATLAB仿真軟件可有效地構(gòu)建出三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真圖形與教材中的示例圖形完全一致。該仿真模型可有效、可靠地驗證三相永磁同步電機的機械特性、動靜態(tài)特性、SVPWM算法、雙閉環(huán)控制以及參數(shù)整定等問題。

將MATLAB仿真軟件引入電力拖動與自動控制系統(tǒng)課程的實踐教學(xué)中，不僅具有直觀、簡單和高效等特點，有利于學(xué)生深入地學(xué)習(xí)電力拖動與自動控制系統(tǒng)的工作原理以及整個實現(xiàn)過程，而且能夠生動形象展示課程相關(guān)理論知識，易于學(xué)生掌握和理解，同時進(jìn)一步增強學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和思維能力，為后續(xù)工作與相關(guān)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

3" 結(jié)束語

MATLAB仿真軟件融入電力拖動與自動控制系統(tǒng)實踐教學(xué)，具有良好的圖形模塊展示、直觀易懂和容易排查錯誤等優(yōu)點，可以有效地激發(fā)學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣，并且能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動手能力，進(jìn)一步加深學(xué)生對抽象的理論知識的理解和掌握，從而獲得良好的教學(xué)質(zhì)量和效果。同時，利用MATLAB仿真軟件協(xié)助開展電力拖動與自動控制系統(tǒng)課程教學(xué)，便于復(fù)雜控制模塊的研究分析，并且能使抽象的理論知識更加形象化、直觀化，有助于學(xué)生擺脫純理論教學(xué)過程中的枯燥、煩瑣等問題。通過理論知識與實踐相結(jié)合，可以幫助學(xué)生更加深入地理解電力拖動與自動控制系統(tǒng)中各個模塊的工作原理以及仿真模型的實現(xiàn)過程，從而提高學(xué)生解決與分析復(fù)雜工程問題的能力。

綜上所述，在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，探索MATLAB仿真軟件在電力拖動自動化控制系統(tǒng)課程中的仿真教學(xué)方法，有助于高等教育改革創(chuàng)新，有助于推進(jìn)我國新型工業(yè)化進(jìn)程，為我國培養(yǎng)出具備解決與分析復(fù)雜問題能力、科技創(chuàng)新能力和獨立思考能力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。

參考文獻(xiàn)

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[4] 胡朝燕，陳珍萍，李澤，等.基于Matlab的電力拖動自動控制系統(tǒng)實驗教學(xué)[J].中國電力教育，2020，3（10）：87-89.

*基金項目：2021年度石河子大學(xué)校級過程性考核示范課程教改項目。

作者：許偉奇，石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，助教，研究方向為永磁同步電機控制以及容錯控制策略；龔立嬌，通信作者，石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，博士，教授，研究方向為新型能量采集技術(shù)、新能源發(fā)電、電能無線傳輸?shù)龋粍⒊浚幼哟髮W(xué)機械電氣工程學(xué)院，講師，研究方向為電機控制（832000）。