MATLAB在电气自动化专业多课程融合仿真教学中的应用

摘 要：电机与拖动基础、自动控制原理和电力电子技术是电气自动控制专业的必修课，利用MATLAB仿真软件将教学中相对独立的知识结合起来，加深学生对所学知识的理解，提高他们处理实际问题的能力。

关键词：电机与拖动 自动控制原理 电力电子技术 MATLAB仿真 教学 融合

中图分类号：TM92文献标识码：A文章编号：1003-9082（2019）05-0-01

一、引言

电机拖动、自动控制原理和电力电子技术是电气自动控制专业的必修课。通常情况下，两门课是相互独立进行的，学生学习到的是孤立的知识点，没有一个全局的概念。经常会出现成绩优良的学生接到实际的研究课题时，不会应用控制理论解决实际问题[1]。于是我们探索将几门课相结合的教学方法，利用MATLAB软件在教学中将实际电机的控制过程与抽象的数学模型构成的系统控制工程相对照，让学生加深对所学知识的理解，提高他们处理实际问题的能力。

二、MATLAB简介

基于框图仿真平台的Simulink以MATLAB强大的计算功能为基础，以直观的模块框图对各种系统进行仿真和计算[2]。MATLAB/Simulink及Simpowersystems通过模块化的图形进行建模，从而完成模型的构建，而不用考虑模块内部的工作，设计者能够较轻松地实现系统的建模与仿真。

三、直流电动机拖动控制建模

1直流电动机建模

他励直流电动机电动势平衡方程有，其中Ea=CEn，CE为电动势常数。电动机的电磁转矩，CM为转矩常数，J为电机转动惯量，ω为电机转动的角速度。稳态运行时，T=T0+T2=TZ，其中T0=Cfn，Cf为摩擦系数。

根据拉氏变换规则可以得到系统的传递函数：

利用Simulink建立直流电动机模型，如图1[3]。

同时，在Simpowersystems工具箱中有直流电动机模型。利用Simpowersystems工具箱可以建立图2所示的直接起动电路模型。

2直流电动机运行仿真

直流电动机开环电路工作时，从空载起动到稳速运行运行，然后增加负载到再次稳速运行，电机的转速将先增加至稳定值，然后下降直至再次稳定。运行图1模型得到图3（a）波形，运行图2模型得到图3（b）波形。

由波形可以看出，两种模型得出的转速变化的规律是一致的，可以反映实际电机的响应。由于开环无法起到调节作用，当电动机的负载大小发生变化时，电机的转速将随之而升降。

3直流电动机的转速控制

单闭环转速负反馈调速系统可以在一定程度上解决转速不稳定的问题。当转速下降时，适当升高电源电压，电机的转速将会上升。仿照晶闸管整流电路的原理，我们建立了负反馈调压模型。根据Ud=U0cosα，当转速下降时，负反馈电路使α减小，相应提高电源电压[4]。图4给出采用PI调节器控制的转速负反馈控制仿真模型。

由自动控制原理的知识可知，当采用PI调节器进行控制时，适当选择比例、积分参数系统可以在负载变化时消除静差。但是由于积分环节的加入使得系统达到稳态的时间增加。图5给出仿真模型和仿真结果。

结语

通过利用MATLAB仿真软件对直流电动机调速系统建立在基本原理基础上的建模、仿真，将电机与拖动、自动控制原理及电力电子技术，三门相互联系又彼此的专业课，通过课题模块的形式进行融合，突破了知识体系的桎梏，把理论迁移到实践中。这样做有利于加深学生对理论的理解，开拓了思路，提高了综合应用能力;同时还弥补了实验学时较少、实验设备无法及时更新导致的欠缺，对于应用技术型人材的培养起到了促进作用。

将仿真软件与课堂理论教学和实践教学相结合，倡导一种基于仿真平台的”电力电子技术”教学与实践的教学模式，实现教学手段和方法的创新是我们的努力方向。

参考文献

[1]涌井深二，桥本誠司，高梨宏之，中村幸纪等.控制技术基础及现场应用[M].东营：中国石油大学出版社，2016：1.

[2]顾春雷，陈中.电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2014：90.

[3]王正林，王胜开，陈国顺，王祺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真（第四版）[M].北京：电子工业出版社，2017：94-97.

[4]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社.北京：2010：48-60.

作者简介：苏晓鹰（1971-），女，汉族，工程硕士，辽宁沈阳人，讲师，主要研究方向电力电子与电力传动。