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、覆蓋面寬,綜合了《自動控制原理》、《電機拖動》、《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《計算機控制系統(tǒng)》、《伺服控制系統(tǒng)》等。綜合所學知識、靈活運用所學知識、建立控制系統(tǒng)物理系統(tǒng)的完整概念、理論與實際的緊密結(jié)合是該課程的特點。
在該課程的傳統(tǒng)課堂教學中,教師一般采用“滿堂灌”的教學方法講授理論知識,學生處于*被動的狀態(tài),只能機械地記憶原理,比較枯燥、乏味,漸漸地就失去學習興趣,甚至厭學,因而嚴重地影響了教學效果。尤其學生都沒有實際工作經(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。
在電力拖動自動控制課程授課過程中,引入Matlab計算機仿真軟件輔助教學,通過計算機仿真模型將課程內(nèi)容與實際應(yīng)用結(jié)合起來,老師邊講邊演示,學生邊學邊操作,這種方式將使學生能積極的參與到課堂教學中,也能提高他們學習的興趣和積極性。
利用Matlab中的Simulink軟件進行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的,Simulink提供了使用系統(tǒng)模型框圖進行組態(tài)的仿真平臺,使用Simulink進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,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、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,從而進行動態(tài)分析。在傳統(tǒng)的課堂教學中,學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、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。電動機空載啟動,到1s時突加滿載,電動機的轉(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)電動機空載啟動時的電流很大,這對學生來說就是很直觀的感受。(2)在電機啟動調(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、突減負載時,可以給予學生實時、直觀的展示,加深學生對動態(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,在課堂上運行得到輸出響應(yīng)曲線。在教學時可以引導學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也能穩(wěn)定運行于給定轉(zhuǎn)速。讓學生帶著問題再去思考所講過的理論知識,學生的接收能力更強,學習的積極性也會更高。
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、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行連接即可實現(xiàn)系統(tǒng)的搭建。這里不需要事先推導各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),建模過程更接近于真實系統(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)中電源與電動機采用SimPowerSystems里面的元件來實現(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生獲得更直觀、更直接的效果。電動機空載啟動,到0.6s時突加滿載,電動機的轉(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)電動機啟動時電流很快上升到大值,這是啟動的第1階段;隨后維持大電流,電動機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),進入啟動的第3階段,直到系統(tǒng)達到穩(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)速上升到高且已經(jīng)超調(diào),電流給定變負,但是晶閘管整流裝置不能產(chǎn)生反向電流,這時電樞電流為0,又由于是空載起動,所以電動機保持在高轉(zhuǎn)速狀態(tài),這是與帶載起動時大的不同。(3)在突加負載時,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)的教學中,考慮到學生初步接觸仿真軟件以及學時限制的問題,在理論教學中用動態(tài)結(jié)構(gòu)圖搭建模型更簡單實用。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)的課堂教學中引入Matlab仿真,加深了學生對系統(tǒng)的認識,使學生能將所學的知識與實際應(yīng)用很好地聯(lián)系起來,對于學生掌握、分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)具有重要的作用。
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