電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統中的仿真教學(xué)探討

一、前言
《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統》是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主干專(zhuān)業(yè)課，課程知識的綜合性強、覆蓋面寬，綜合了《自動(dòng)控制原理》、《電機拖動(dòng)》、《電力電子技術(shù)》、《檢測技術(shù)》等課程的相關(guān)知識。該課程又是后續課，其先修課有《計算機控制系統》、《伺服控制系統》等。綜合所學(xué)知識、靈活運用所學(xué)知識、建立控制系統物理系統的完整概念、理論與實(shí)際的緊密結合是該課程的特點(diǎn)。
在該課程的傳統課堂教學(xué)中，教師一般采用“滿(mǎn)堂灌”的教學(xué)方法講授理論知識，學(xué)生處于*被動(dòng)的狀態(tài)，只能機械地記憶原理，比較枯燥、乏味，漸漸地就失去學(xué)習興趣，甚至厭學(xué)，因而嚴重地影響了教學(xué)效果。尤其學(xué)生都沒(méi)有實(shí)際工作經(jīng)驗，對課程或知識的認識很模糊，甚至不能將所學(xué)知識與工程應用聯(lián)系起來(lái)，這也不符合我們應用型人才培養的目標。
在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制課程授課過(guò)程中，引入Matlab計算機仿真軟件輔助教學(xué)，通過(guò)計算機仿真模型將課程內容與實(shí)際應用結合起來(lái)，老師邊講邊演示，學(xué)生邊學(xué)邊操作，這種方式將使學(xué)生能積極的參與到課堂教學(xué)中，也能提高他們學(xué)習的興趣和積極性。
利用Matlab中的Simulink軟件進(jìn)行系統仿真是十分簡(jiǎn)單和直觀(guān)的，Simulink提供了使用系統模型框圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺，使用Simulink進(jìn)行仿真和分析可以像在紙上繪圖一樣簡(jiǎn)單。應用Simulink搭建電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統通常有兩種方法，一種是依據系統的動(dòng)態(tài)結構圖進(jìn)行，另一種是依據系統的電氣結構圖來(lái)組建。它們各有特點(diǎn)，本文將分別給予說(shuō)明。
二、按系統動(dòng)態(tài)結構圖的仿真
對自動(dòng)控制系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析是為了判斷系統的穩定性以及掌握各項動(dòng)態(tài)性能指標與動(dòng)態(tài)參數之間的關(guān)系。以直流調速系統為例，不管是單閉環(huán)系統還是雙閉環(huán)系統，系統中都包含有可變直流電源、調節器、電動(dòng)機、反饋裝置等環(huán)節。建立各環(huán)節的傳遞函數，并依據它們之間的相互關(guān)系組合起來(lái)就構成了系統的動(dòng)態(tài)結構圖，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。在傳統的課堂教學(xué)中，學(xué)生沒(méi)有辦法直觀(guān)地觀(guān)察和發(fā)現動(dòng)態(tài)參數對調速性能的影響，因此可以使用Simulink按照系統的動(dòng)態(tài)結構圖來(lái)搭建仿真模型。
利用Simulink的Continuous模塊庫中的傳遞函數模塊建立電動(dòng)機、直流電源等各環(huán)節的模型并將它們組合在一起。利用這種方法建模的前提是需要知道各組成環(huán)節的傳遞函數，優(yōu)點(diǎn)是系統模型簡(jiǎn)單，建模容易，參數的修改也比較方便。

圖1 按動(dòng)態(tài)結構圖的單閉環(huán)調速系統的仿真模型
以轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統為例，按系統動(dòng)態(tài)結構圖搭建的模型如圖1所示。電動(dòng)機空載啟動(dòng)，到1s時(shí)突加滿(mǎn)載，電動(dòng)機的轉速和電流變化波形如圖2所示。

圖2 單閉環(huán)調速系統輸出仿真曲線(xiàn)

結合模型以及仿真結果可以看出：（1）電動(dòng)機空載啟動(dòng)時(shí)的電流很大，這對學(xué)生來(lái)說(shuō)就是很直觀(guān)的感受。（2）在電機啟動(dòng)調整的過(guò)程中電流出現了反向，這是由于動(dòng)態(tài)結構圖中晶閘管整流器的傳遞函數是線(xiàn)性的，而實(shí)際的晶閘管整流器不能通過(guò)反向電流，所以這也是采用動(dòng)態(tài)結構圖建模和采用電氣結構圖建模的不同，后者能更好地反映系統的工作情況。（3）在突加、突減負載時(shí)，可以給予學(xué)生實(shí)時(shí)、直觀(guān)的展示，加深學(xué)生對動(dòng)態(tài)調節過(guò)程的理解。
教師在授課前，可以事先將模型搭建出來(lái)，在課堂上運行得到輸出響應曲線(xiàn)。在教學(xué)時(shí)可以引導學(xué)生分析為什么啟動(dòng)時(shí)的電流很大，為什么在動(dòng)態(tài)過(guò)程中出現了電流反向，為什么在滿(mǎn)載時(shí)電動(dòng)機也能穩定運行于給定轉速。讓學(xué)生帶著(zhù)問(wèn)題再去思考所講過(guò)的理論知識，學(xué)生的接收能力更強，學(xué)習的積極性也會(huì )更高。
三、按系統電氣結構圖的仿真
Simulink中的電力系統工具箱SimPowerSystems里面包含有電源、變壓器、電機、電阻、電容以及各種電力電子元件，因此可以依照系統的電氣結構圖，從元件庫中選擇需要的器件進(jìn)行連接即可實(shí)現系統的搭建。這里不需要事先推導各環(huán)節的傳遞函數，建模過(guò)程更接近于真實(shí)系統的搭建過(guò)程。以雙閉環(huán)直流調速系統為例，按系統電氣結構圖搭建的模型如圖3所示。

圖3 按電氣結構圖的雙閉環(huán)調速系統的仿真模型
按電氣結構圖搭建的系統中電源與電動(dòng)機采用SimPowerSystems里面的元件來(lái)實(shí)現，系統的主電路由交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節和電動(dòng)機連接而成?？刂苹芈返闹黧w是轉速調節器和電流調節器以及反饋濾波環(huán)節，與前述按動(dòng)態(tài)結構圖的單閉環(huán)系統仿真類(lèi)似。與按動(dòng)態(tài)結構圖仿真相比，該建模方法可以使學(xué)生獲得更直觀(guān)、更直接的效果。電動(dòng)機空載啟動(dòng)，到0.6s時(shí)突加滿(mǎn)載，電動(dòng)機的轉速和電流變化波形如圖4所示。

圖4 雙閉環(huán)調速系統輸出仿真曲線(xiàn)
結合模型以及仿真結果可以看出：（1）電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)電流很快上升到大值，這是啟動(dòng)的第1階段；隨后維持大電流，電動(dòng)機以恒定加速度上升到給定轉速，這是第2階段；之后轉速和電流相互調節，進(jìn)入啟動(dòng)的第3階段，直到系統達到穩定。從圖上可以明顯地看出這3個(gè)階段，在授課時(shí)結合這個(gè)輸出波形講解會(huì )大大提高學(xué)生對雙閉環(huán)直流調速系統起動(dòng)過(guò)程的理解與掌握。（2）在0.4s時(shí)起動(dòng)過(guò)程結束，電樞電流下降到0，轉速上升到高且已經(jīng)超調，電流給定變負，但是晶閘管整流裝置不能產(chǎn)生反向電流，這時(shí)電樞電流為0，又由于是空載起動(dòng)，所以電動(dòng)機保持在高轉速狀態(tài)，這是與帶載起動(dòng)時(shí)大的不同。（3）在突加負載時(shí)，轉速和電流都會(huì )出現動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，如果調節器參數選擇得不夠好，會(huì )有一段振蕩過(guò)程。
按系統動(dòng)態(tài)結構圖仿真和按系統電氣結構圖仿真都可以用于電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統的教學(xué)中，考慮到學(xué)生初步接觸仿真軟件以及學(xué)時(shí)限制的問(wèn)題，在理論教學(xué)中用動(dòng)態(tài)結構圖搭建模型更簡(jiǎn)單實(shí)用。電氣結構圖仿真可以在做課程設計時(shí)使用，按照工程設計法求出電流調節器和轉速調節器的參數，學(xué)生利用電力系統模塊庫中提供的元件搭建系統，完成系統的仿真。
四、結語(yǔ)
在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統的課堂教學(xué)中引入Matlab仿真，加深了學(xué)生對系統的認識，使學(xué)生能將所學(xué)的知識與實(shí)際應用很好地聯(lián)系起來(lái)，對于學(xué)生掌握、分析和設計自動(dòng)控制系統具有重要的作用。