基于计算机辅助手段的运动控制系统教学改革研究
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2014）18-0109-03
Research on Motion Control System Teaching Reform based on Computer-aided Tools//WU Xiaoxin， GU Juping， WU Xiao
Abstract Motion Control System is an important major class of Electrical Engineering and Automation. For its strong engineering， professional and practical， MATLAB is used to build and simulate motion vector control system， such as VC. The reform helps the students to develop their engineering concepts.
Key words motion control system； education reform； simulation soft； vector control system
工程教学模式目的是培养创新型工程人才，强调综合的创新能力，同时更关注工程实践能力，加强培养学生的实践能力[1]。“运动控制系统”是高校电气工程及其自动化专业的主干课之一，教学研究对象是工业生产过程中实际的系统，非常适合进行工程教学的改革。同时，课程对学生所掌握专业知识的全面性、系统性和综合应用能力的要求较高。所以，对本课程的教学方法进行深入研究和改革，增强课程的课堂教学效果就成为当务之急。
1 教学现状分析
本课程主要的教学任务是讲授直流电动机和交流电动机控制技术控制系统的原理、分析和设计[2]。直流拖动控制系统在理论和实践上比较成熟。但是，近年来高性能交流调速技术发展迅速，在工业生产中已经取代了直流调速系统。所以课程的教学应本着与时俱进的精神，紧跟工业发展步伐，适当调整教学内容，增加交流拖动控制技术在课程中的比重。
传统的教学方法以课堂讲授为主，从理论上进行分析，教学内容理论性强，比较枯燥，难以让学生获得感性认识。而有限的实验课时又难以让学生建立起系统概念，了解系统的结构和各因素变化对系统性能的影响。尤其是在交流拖动控制系统的教学中，由于异步电动机非线性、强耦合、多变量的性质，其高性能调速系统的分析和讲授对学生来说接受难度很大，而且没有相应配套的课堂习题，使学生没有很好的办法去学习和掌握系统的实质和性能，是本门课程的重点和难点之一。
因此，笔者从教学和工程型人才培养的需要出发，引入计算机仿真与辅助设计手段，设计新的实验和实践教学内容，设计并构建高性能的交流电机控制系统这一完整的教学体系，帮助学生掌握一套完整的运动控制系统的理论体系并具备初步的工程设计能力。在教学过程中植入工程教学理念，引导学生采用MATLAB仿真软件，利用课后和课程设计，构建和实际工业系统相似的交流调速系统，在构建系统的过程中学习系统[3-4]。
2 教学过程设计
矢量控制系统的思想是利用坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电机的控制方法对异步电动机进行控制。教学过程中，由于异步电动三相原始动态模型相当复杂，采用坐标变换进行简化、降阶和解耦时，全部是公式的推导过程，教和学的过程都比较困难。而学生一旦此处理解不够，后面的学习就很难进行。面对这一矛盾，笔者对课堂教学进行了改革，课堂忽略枯燥繁琐的公式推导，而是直接把变换以后的电机模型给学生，让学生利用MATLAB软件的Simulink工具箱，着手建立异步电机的仿真数学模型。在此基础上，随着课程的深入，逐步搭试矢量控制系统仿真模型，并进行性能测试，分析各个因素对系统性能的影响。
异步电动机仿真模型的建立 完成异步电机动态数学模型性质的讲授后，简要介绍对电机模型进行降阶、解耦和化简的方案――坐标转换的思路、原则、方法和任务。课堂讲授忽略具体的转换过程，直接给出在两相静止坐标系下的数学模型。
电压方程：
磁链方程：
转矩方程：
转速方程：
由上式可以看出，虽然经过一系列坐标变换进行简化后，异步电机在αβ坐标系下的数学模型还是比较繁杂，学生对其性质的理解也很难深入。所以，布置给学生的作业就是利用所学的MATLAB/Simulink工具箱中模块建立异步电动机仿真模型，图1所示为所建模型一例。
根据“电机与拖动”课程实验中所获得的电机参数或直接给出一组仿真参数，对所建立的电机模型进行封装。然后把三相正弦对称电压经3/2变换模块，得到两相电压送入αβ坐标系下异步电动机仿真模型进行仿真实验。
矢量控制系统的建立 完成异步电动机数学模型的建立与仿真之后，学生对矢量控制系统的原理得以深入理解，达到预期的教学效果。而对于系统性能要进行深入剖析，就在电动机数学模型的基础上，建立完整的矢量控制系统，并进行仿真实验。所以，在本课程的课程设计交流部分中，让学生通过构建系统的结构了解其工作原理，并且通过仿真实验来分析系统的性能和各种因素对系统性能的影响，从而使得学生在这个过程中学会用工程的方法去设计系统。 要求学生按照按转子磁链定向转子磁链开环的矢量控制方案，以异步电动机仿真模型为控制对象，在MATLAB/Simulink中建立按转子磁链定向的矢量控制系统的仿真模型（图2所示为一例）。给定不同转速，任意时刻改变负载，可以得到运行过程中各个变量的波形，可以分析所建立系统的性能和影响系统运行的各个因素。
仿真参数为：PN=3 kW，UN=380 V，np=2，RS=1.85 Ω，Rr=2.658 Ω，L1=0.010 2 H，L2=0.006 H，Lm=0.283 8 H，J=0.1284 N?m?s2，TN=20 N?m。仿真时间2 s，给定转速1200转/分，电机空载起动，起动后0.7秒加额定负载，起动后1秒变给定转速为-1200转/分。仿真所得波形如图3所示。
通过仿真波形可以看出：实际转速能够达到给定转速，电动机起动、变速和改变负载时转矩电流能够快速响应，转速平稳时转矩电流处于稳态。因此可以得到教材上所得到的结论：按转子磁链定向的矢量控制系统在得到比较精确的磁链信号和转速信号下，能够像控制直流电机那样去控制交流电机，获得比较满意的控制效果。
3 教学改革效果分析
教学过程中的作用 在教学过程中，通过仿真软件对课程的教学模式进行改革，解决了课程教学脱离实际、学生缺少深入学习系统的有效渠道的问题。传统的运动控制系统课程设计内容已与现代工业生产有所脱节。加入交流调速方面的内容，而且是通过仿真软件来完成，可以针对实际工业生产中各种情况进行模拟，且不必担心设备和学生的安全问题。
实际教学改革效果 在南通大学10级学生的教学过程中，已经尝试使用MATLAB/Simulink软件对课程进行工程教学模式的改革实践。通过和前几届学生教学效果的比较，可以发现学生对交流调速系统的理解深入了很多，学生认为通过自己进行电机和系统模型的构建和调试，已经建立了系统的概念。同时，学生很好地掌握了以前所学的MATLAB工具软件，真正实现了学以致用，学习效果非常好，受到一致好评。
教学改革注意事项 在教学过程中，应该让学生清楚：仿真只是辅助手段，目的只是帮助他们去掌握系统的工作原理和调节方法；并且仿真和真正的系统工作过程还有很大的差别，所以所建立的系统只是原理性的学习和验证，不能完全代替实际工业生产过程中的交流调速系统。
4 结语
在这次教学改革过程中，引入系统教学理念，摒弃了枯燥繁琐的公式推导和理论分析，直接鼓励学生利用所学的仿真软件去构建和验证教材所讲授的知识，大大提高了学生在课堂中的参与程度，激发了他们的学习兴趣。学生建立了系统的概念，学会了应用工程的思维模式去学习系统的工作原理和调试方法，取得很好的教学效果。
