“电力拖动自动控制系统”的虚拟仿真教学研究

吉月辉 岳有军 刘俊杰 赵学文

摘要“电力拖动自动控制系统”课程是自动化专业的一门专业必修课程，该课程同时侧重理论和实践的统一教学，主要针对直流电机和交流电机的调速问题，研究其自动控制系统的设计。在新时代和新工科教育改革背景下，把计算机虚拟仿真技术引入电力拖动类课程的实验教学中，构建电力拖动自动控制虚拟仿真教学平台，满足产业升级的人才培养需求具有重要意义。本文以“电力拖动自动控制系统”课程为例，采用MATLAB搭建可视化虚拟仿真平台，旨在让学生在模拟情境下学习，提高自动化类专业学生的学习热情，充分调动学生的积极性，进一步加强学生综合素质的培养，实现工程教育专业认证背景下电力拖动自动控制系统课程的教学质量和学生学习成效。

关键词电力拖动自动控制系统;虚拟仿真;MATLAB软件;实验教学

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.34.032

Research on Virtual Simulation Teaching of Electric Drive Automatic Control System

JI Yuehui[1][2]，YUE Youjun[1][2]，LIU Junjie[1][2]，ZHAO Xuewen[1][2]

（[1]The School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384;[2]Tianjin Key Laboratory for Control Theory & Applications in Complicated Industry Systems，Tianjin 300384）

AbstractThe course “Electric Power Drive Automatic Control System”is a professional course of automation major，which pays equal attention to both theory and practice. It mainly studies the design of automatic control system for DC motor and AC motor speed regulation. Under the background of the new era and the new engineering education reform，it is of great significance to introduce the computer virtual simulation technology into the experimental teaching of electric driving courses，and to construct the virtual simulation teaching platform of electric driving automatic control，so as to meet the needs of talents training for industrial upgrading. This paper takes the course "Electric Drive Automatic Control System" as an example，and virtual simulation platform is visualized by using MATLAB，which allows students to study in a simulated situation such that the learning enthusiasm of automation major students is effectively improved and the cultivation of students' comprehensive quality is also promoted. As a result，the teaching quality and students' learning results under the background of engineering education certification is improved.

Keywordselectric drive automatic control system;virtual simulation;MATLAB software;experimental teaching

隨着国务院相继推出“一带一路”“中国制造2025”等重大战略规划，以求加快构建中国制造新优势，这对工程领域的人才素质培养提出了更高要求。[1]而在高等教育教学过程中，在课堂理论授课的基础上，若能够让学生动手，完成相应实际实验操作，则能以理论联系实际为抓手，提高自身的实验动手能力以及工程实践能力。因此，从这个角度来讲，理论授课是实验教学的前提和基础，而实验教学是理论授课的一种拓展和延续。因此，完善和改革实验教学方法和手段具有重要现实意义。

电力拖动自动控制系统课程是自动化类专业的一门专业必修课程，同时也是电气类、电子信息类、仪表类等专业的重要课程，是整个自动化专业体系和学生培养计划中的具有承上启下作用的关键环节，该课程有机综合“信息电子技术”“电机与拖动”“自动控制原理”“电力电子技术”等知识，课程内容涵盖直流调速系统、交流调速系统、伺服系统等电力拖动控制系统的原理、分析方法和设计等，广泛应用于各工业过程、农业领域、船舶运输等领域，具有理论性和实践性兼顾的特点。

我校“电力拖动自动控制系统”课程，在传统的教学模式中，理论课与实验课是分离的，导致理论课脱离生产和生活实际，而实验教学得不到及时的理论指导，学生未能全面牢固地掌握基本知识和内容，对于如器件故障或设备故障等问题，也难以进行实验分析和总结。此外，由于实验设备和场地的有限性，亟须探索新的教学方法。虚拟仿真教学是一种新型教育方式，其通过采用基于计算机软件的现代化信息技术，实现教与学的相互统一，具有效率高、内容多变、形式多样、成本低、安全可靠等特点，目前已经得到较大的推广，应用前景非常好。[2][3]虚拟仿真教学利用计算机软件模拟真实情境，让学生在模拟情境下学习。这种教学方法生动形象，接近现实场景，有利于提高学生兴趣，使学生在短期内进入相应的情景，快速有效掌握知识和技能。[4]为实现理论与工程实践教学结合，提高自动化类专业学生的学习热情，充分调动学生的积极性，进一步加强学生综合素质的培养，在“电力拖动自动控制系统”课程的教学中，通过搭建虚拟仿真技术教学平台，将虚拟仿真教学与其他教学方法相结合，让学生在模拟情境下学习，充分发挥利用多媒体教学的优势，降低教学成本，提高教学效率，使得学生不受到场地和设备的限制，具有重要的教育和现实意义。

1基于虚拟仿真实验平台的教学模式

在多年的电力拖动自动控制系统课程教学与实践教学基础上，为满足工程教育专业认证和学校的培养目标要求，我校电气工程与自动化学院电力拖动自动控制系统课程教学团队开发一款基于MATLAB/Simulink的低成本虚拟仿真实验平台，建立了如图1所示的“课堂教学+实验教学+虚拟仿真教学”的三结合教学模式，将学生理论学习、实验设备操作和虚拟仿真实验有机融合，形成理论与实际互补的教学模式。

2虚拟仿真实验平台开发

MATLAB具有强大的计算功能，配套有各类控制系统设计与分析的库函数，具备可视化仿真工具Simulink，可设计图形用户界面，并自带电路、电力电子、电动机系统等模块工具箱，简单易用。[5]基于MATLAB软件的Simulink和GUI设计开发了电力拖动自动控制系统虚拟仿真教学实验平台，如图2所示。所开发虚拟仿真教学实验平台涵盖了直流调速系统和交流调速系统两大部分，这两大部分组成该课程的基础实验内容。第一部分的直流调速系统实验可提供基于传递函数的虚拟仿真以及基于电气结构图的虚拟仿真，主要实验包括：转速开环直流调速系统、转速闭环比例控制（P）直流调速系统、转速闭环比例积分控制（PI）直流调速系统、电流截止负反馈转速闭环直流调速系统、转速电流双闭环直流调速系统、PWM可逆直流调速系统以及V-M可逆直流调速系统。此外，第二部分的交流调速系统的基础实验包括：异步电机交流调压调速系统、异步电动机转速闭环变压变频调速系统、矢量控制交流调速系统、直接转矩控制交流调速系统以及绕线转子异步电动机双馈调速系统。以转速电流双闭环直流调速系统为例，如图3所示，在电力拖动自动控制系统虚拟仿真界面选择相应的实验项目内容，设置相应的电压参考信号和电流扰动信号，并调节所需的比例系数和积分时间常数，直至达到控制目标。

3教学效果和学生评价反馈

针对我校在电力拖动自动控制系统课程，采用开发的虚拟仿真实验平台进行教学，提高了理论与实验实践的有机互融，学生学习的积极性变强，对实验课程产生浓厚的学习热情，形成了“理论学习”到“实验实践”的成功互联，学习成效显著，学生反馈评价优良。通过对2018級自动化专业的一个教学班级75名同学的调查问卷显示，学生对开发的此类实验教学平台给予高度评价，投票汇总情况如图4所示。所开发虚拟仿真实验平台的引入，有助于学生对理论知识的掌握，与往年相比，80分以上同学的占比明显提高，如图5所示，教学效果显著。

4结论

以天津理工大学电力拖动自动控制系统课程为例，基于MATLAB/Simulink以及GUI开发了可视化虚拟仿真实验平台，旨在让学生在模拟情境下学习，提高自动化类专业学生的学习热情，充分调动学生的积极性，进一步加强学生综合素质的培养。学生可随时随地进行电力拖动自动控制系统中直流调速和交流调速的相关基础实验，学生评价反馈和考核结果表明基于开发的虚拟仿真实验教学具有良好的教学效果，可供其他相关的电气、自动化课程借鉴。

参考文献

[1]崔国增.新工科背景下自动控制原理教学改革探索[J].中国电力教育，2020，（10）：67-68.

[2]薛香玉，张宏，张锋，等.虚拟仿真技术在能源与动力工程实训教学中的应用[J].教育教学论坛，2021，（33）：133-136.

[3]张泽，吕新，侯彤瑜，等.高校虚拟仿真实验教学中心建设探讨[J].教育教学论坛，2021（15）：80-83.

[4]田元，周晓蕾，宁国勤，等.虚拟仿真实验教学对学生学习效果的影响研究——基于35项实验和准实验研究的元分析[J].现代教育技术，2021，31（08）：42-49.

[5]刘伟峰.异步电机实验教学的Simulink辅助设计方法[J].科教导刊（上旬刊），2020，（22）：116-117.