電力拖動自動控制系統(tǒng)中的仿真教學(xué)探討

一、前言
《電力拖動自動控制系統(tǒng)》是電氣工程及其自動化專業(yè)的主干專業(yè)課，課程知識的綜合性強(qiáng)、覆蓋面寬，綜合了《自動控制原理》、《電機(jī)拖動》、《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(xù)課，其先修課有《計算機(jī)控制系統(tǒng)》、《伺服控制系統(tǒng)》等。綜合所學(xué)知識、靈活運(yùn)用所學(xué)知識、建立控制系統(tǒng)物理系統(tǒng)的完整概念、理論與實(shí)際的緊密結(jié)合是該課程的特點(diǎn)。
在該課程的傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教師一般采用“滿堂灌”的教學(xué)方法講授理論知識，學(xué)生處于完全被動的狀態(tài)，只能機(jī)械地記憶原理，比較枯燥、乏味，漸漸地就失去學(xué)習(xí)興趣，甚至厭學(xué)，因而嚴(yán)重地影響了教學(xué)效果。尤其學(xué)生都沒有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對課程或知識的認(rèn)識很模糊，甚至不能將所學(xué)知識與工程應(yīng)用聯(lián)系起來，這也不符合我們應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。
在電力拖動自動控制課程授課過程中，引入Matlab計算機(jī)仿真軟件輔助教學(xué)，通過計算機(jī)仿真模型將課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，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(xí)的興趣和積極性。
利用Matlab中的Simulink軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，Simulink提供了使用系統(tǒng)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單。應(yīng)用Simulink搭建電力拖動自動控制系統(tǒng)通常有兩種方法，一種是依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行，另一種是依據(jù)系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)圖來組建。它們各有特點(diǎn)，本文將分別給予說明。
二、按系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真
對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析是為了判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及掌握各項動態(tài)性能指標(biāo)與動態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。以直流調(diào)速系統(tǒng)為例，不管是單閉環(huán)系統(tǒng)還是雙閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)中都包含有可變直流電源、調(diào)節(jié)器、電動機(jī)、反饋裝置等環(huán)節(jié)。建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并依據(jù)它們之間的相互關(guān)系組合起來就構(gòu)成了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，從而進(jìn)行動態(tài)分析。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，學(xué)生沒有辦法直觀地觀察和發(fā)現(xiàn)動態(tài)參數(shù)對調(diào)速性能的影響，因此可以使用Simulink按照系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖來搭建仿真模型。
利用Simulink的Continuous模塊庫中的傳遞函數(shù)模塊建立電動機(jī)、直流電源等各環(huán)節(jié)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(jié)的傳遞函數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)模型簡單，建模容易，參數(shù)的修改也比較方便。

圖1 按動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型
以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例，按系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖搭建的模型如圖1所示。電動機(jī)空載啟動，到1s時突加滿載，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流變化波形如圖2所示。

圖2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)輸出仿真曲線

結(jié)合模型以及仿真結(jié)果可以看出：（1）電動機(jī)空載啟動時的電流很大，這對學(xué)生來說就是很直觀的感受。（2）在電機(jī)啟動調(diào)整的過程中電流出現(xiàn)了反向，這是由于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中晶閘管整流器的傳遞函數(shù)是線性的，而實(shí)際的晶閘管整流器不能通過反向電流，所以這也是采用動態(tài)結(jié)構(gòu)圖建模和采用電氣結(jié)構(gòu)圖建模的不同，后者能更好地反映系統(tǒng)的工作情況。（3）在突加、突減負(fù)載時，可以給予學(xué)生實(shí)時、直觀的展示，加深學(xué)生對動態(tài)調(diào)節(jié)過程的理解。
教師在授課前，可以事先將模型搭建出來，在課堂上運(yùn)行得到輸出響應(yīng)曲線。在教學(xué)時可以引導(dǎo)學(xué)生分析為什么啟動時的電流很大，為什么在動態(tài)過程中出現(xiàn)了電流反向，為什么在滿載時電動機(jī)也能穩(wěn)定運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速。讓學(xué)生帶著問題再去思考所講過的理論知識，學(xué)生的接收能力更強(qiáng)，學(xué)習(xí)的積極性也會更高。
三、按系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖的仿真
Simulink中的電力系統(tǒng)工具箱SimPowerSystems里面包含有電源、變壓器、電機(jī)、電阻、電容以及各種電力電子元件，因此可以依照系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)圖，從元件庫中選擇需要的器件進(jìn)行連接即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的搭建。這里不需要事先推導(dǎo)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建模過程更接近于真實(shí)系統(tǒng)的搭建過程。以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例，按系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖搭建的模型如圖3所示。

圖3 按電氣結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型
按電氣結(jié)構(gòu)圖搭建的系統(tǒng)中電源與電動機(jī)采用SimPowerSystems里面的元件來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)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(jié)和電動機(jī)連接而成?？刂苹芈返闹黧w是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器以及反饋濾波環(huán)節(jié)，與前述按動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的單閉環(huán)系統(tǒng)仿真類似。與按動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真相比，該建模方法可以使學(xué)生獲得更直觀、更直接的效果。電動機(jī)空載啟動，到0.6s時突加滿載，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流變化波形如圖4所示。

圖4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)輸出仿真曲線
結(jié)合模型以及仿真結(jié)果可以看出：（1）電動機(jī)啟動時電流很快上升到最大值，這是啟動的第1階段；隨后維持最大電流，電動機(jī)以恒定加速度上升到給定轉(zhuǎn)速，這是第2階段；之后轉(zhuǎn)速和電流相互調(diào)節(jié)，進(jìn)入啟動的第3階段，直到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。從圖上可以明顯地看出這3個階段，在授課時結(jié)合這個輸出波形講解會大大提高學(xué)生對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的理解與掌握。（2）在0.4s時起動過程結(jié)束，電樞電流下降到0，轉(zhuǎn)速上升到最高且已經(jīng)超調(diào)，電流給定變負(fù)，但是晶閘管整流裝置不能產(chǎn)生反向電流，這時電樞電流為0，又由于是空載起動，所以電動機(jī)保持在最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，這是與帶載起動時最大的不同。（3）在突加負(fù)載時，轉(zhuǎn)速和電流都會出現(xiàn)動態(tài)變化過程，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇得不夠好，會有一段振蕩過程。
按系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真和按系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖仿真都可以用于電力拖動自動控制系統(tǒng)的教學(xué)中，考慮到學(xué)生初步接觸仿真軟件以及學(xué)時限制的問題，在理論教學(xué)中用動態(tài)結(jié)構(gòu)圖搭建模型更簡單實(shí)用。電氣結(jié)構(gòu)圖仿真可以在做課程設(shè)計時使用，按照工程設(shè)計法求出電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)，學(xué)生利用電力系統(tǒng)模塊庫中提供的元件搭建系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的仿真。
四、結(jié)語
在電力拖動自動控制系統(tǒng)的課堂教學(xué)中引入Matlab仿真，加深了學(xué)生對系統(tǒng)的認(rèn)識，使學(xué)生能將所學(xué)的知識與實(shí)際應(yīng)用很好地聯(lián)系起來，對于學(xué)生掌握、分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)具有重要的作用。