“运动控制系统”课程仿真平台在实验教学中应用＊

张志华，李 琦，李伯群，石 峻

（辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁 鞍山 114051）

1 引言

“运动控制系统”是高等学校自动化专业的一门重要的专业课程。该课程以交、直流电机为控制对象，综合了自动控制原理、电机拖动基础、电力电子技术、计算机控制技术等多门课程知识于一体，以实现对拖动系统的控制，具有知识面宽、综合性和实践性强、实际工程要求高的特点。通过其实验教学可以验证各类调速系统理论的正确性，帮助和巩固学生对课堂知识的理解和吸收。实验过程中也会不断发现问题，引导学生运用所学知识解决问题，进而培养学生分析、设计与创新的能力。

在“运动控制系统”实验教学中，为了改变其教学内容的枯燥和局限，缓解实验硬件资源紧张、易于损坏等不足，提高其系统展示和创新开发的能力，实验教学的改革已成为高校特别是应用型本科院校教学改革的重要环节之一。考虑仿真实验和设计不受实验学时、设备等条件的限制，尚丽等[1]基于MATLAB 中Simulink 仿真技术和GUI 界面设计，开发设计了可视化的运动控制系统虚拟实验平台，帮助学生直观了解实验过程。刘继光等[2]针对综合实验，提出了模拟仿真与传统实验相结合的新模式。刘汉忠等[3]认为MATLAB仿真技术也可以融入课堂理论教学和课程设计中，增强学生对复杂抽象运动控制系统知识的理解，以提升教学效果。可见，仿真技术引入可以实现从强调针对性的专业教育向突出适应性的工程基础教育的转变[4]。

从创新型和工程应用型人才培养的需要出发，为了打造学生进行工程设计与创新的教学环境，在运动控制系统的实验教学中建立并应用其实验仿真平台。基于仿真平台，可以更好地进行交直流电机调速控制系统的实验教学，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与创新能力。

2 存在问题

目前，该课程的实验教学大多依托于各类实验教学设备进行模块化设计，按照实验指导书中内容进行操作，完成各个实验验证，其主要存在以下几个问题。

2.1 传统实验设备更新困难化和操作模块化

首先，课程的知识点随着技术发展不断更新，可实验设备一旦建立通常难以在短时间内进行升级更新，内容相对落后，难以满足现代运动控制系统实验教学的要求。其次，实验平台的设备模块化使学生通常都是对着实验指导书连线，按照给定的实验参数进行调试。一堂实验课下来，除了线路连接和参数测试，课程的知识点很多没有强化巩固和深入理解，未对课程的学习起到帮助和促进作用。再次，实验设备台数比较有限，难以考察每个学生的学习情况，且设备器件较易损坏，维护较困难。

2.2 传统实验平台展示不够方便直观

该门课程涉及的已修课程知识较多，且比较抽象和复杂，因此学生学习该课程的难度比较大、理解困难。受场地、时间和设备等限制，传统的实验设备平台难以让学生更加方便、直观地观察到系统设计调试过程中各个参数的变化情况，理解控制参数对系统的不同影响，因此学生不能获得更好的感性认识和理性认识。

2.3 传统实验平台创新开发受限

受实验平台硬件和软件的限制，学生难以在其上实现复杂调速系统的新改进或新型调速系统的分析设计与工程创新。并且从安全角度考虑，难以在现有实验设备上进行极端条件下的分析与设计，又进一步限制了设计的创新能力。

因此，实验过后学生不能很好地理解和掌握交直流调速系统的理论知识和设计方法，更难以进行工程创新设计。

3 仿真技术的应用

MATLAB 的电力系统工具箱 PSB（Power System Blockset）具有强大的功能，以Simulink 为运行环境，由电源模块库、元件模块库、电力电子模块库、电机模块库、连接器模块库、测量模块库、附加模块库组成，包括了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电气工程学科中常用的基本元件模型，这些器件能够反映相应实际元器件的电气特性，系统搭建方便，适用于运动控制系统的仿真教学中[2]。在运动控制系统实验中，用MATLAB/Simulink 仿真软件搭建的仿真实验平台可与实际实验相结合。从课前设计、课上验证，到实践开发等方面进行运动控制系统的分析与设计。

3.1 仿真实验平台教学内容的设置

仿真平台除了包含传统实验中单闭环和双闭环直流调速系统以及矢量控制、直接转矩控制等交流调速系统的仿真模型外，考虑到目前人工智能方法的广泛应用，分别采用BP 神经网络和模糊控制设计PID 控制器，进行双闭环直流调速系统仿真设计，以利于学生对先进控制方法的掌握和理解，进而对运动控制系统进行智能创新设计。

3.2 基于仿真实验平台的设计与验证

基于MATLAB/Simulink 仿真软件，构建了各类典型的交直流调速系统。在此平台框架基础上，设计各个调速系统的图形用户界面GUI，实现可视化教学。计算机仿真由于不受时间和空间的限制，可方便进行开放式教学。实验前，学生根据实验指导书要求和内容，在每个典型系统界面上比较方便地设置和修改系统的控制参数，快速直观地观察到不同控制参数下转速、电流、转矩、磁链等响应曲线变化过程，了解PID 控制各个参数对输出响应的不同影响，进而不断调整并找到控制器的最佳参数，进行实验的预先模拟。当然，学生可直接利用平台建好的仿真模型，也可以根据平台提供的仿真模型构建的指导书自己建立仿真模型，并在此基础上进行改进研究。通过仿真系统搭建与模拟，学生对整个系统的结构、组成和工作原理，以及系统各个部分知识点有了更加深入的了解。

实验前得到调速系统的设计参数后，实验时可以根据已有的仿真模型，对现有的实验设备进行实物连接和搭建，按照仿真参数进行设置，进行实际验证，并根据获得响应曲线进行设计参数的进一步校正，实现对调速系统的更好控制。借助仿真实验平台，学生除了可以较为容易实现各种实验设计和分析外，可以避免由于一些误操作对实际设备的损坏，同时还可以进行比较极端条件下的实验研究与分析，减小人身伤害，提高安全系数。

3.3 基于仿真实验平台的工程设计与创新

为了缩短系统设计周期、减少工程开发成本，鼓励学生在仿真平台上进行工程设计的开发和创新。学生根据实际系统的工艺参数及设计要求，基于平台中已有的典型调速系统，选定调速设计方案，依据工程设计法建立待设计系统的仿真模型，不断调试设计效果满足系统性能指标的要求，得到设计方案的控制参数。进行实际的工程测试时，根据系统实际运行情况适当调整控制参数，最终实现较好的控制效果。

工业生产控制系统在实际设计前，进行仿真模拟设计是现代工程设计的发展趋势。基于MATLAB/Simulink 仿真软件建立交直流调速系统的仿真实验平台，将仿真技术和实验教学相结合，不仅降低实验室建设成本，实验时间和实验地点自由，而且也便于学生独立完成实验，参数调整方便，克服了传统实验教学知识点陈旧和照搬硬套实验指导书等不足，使学生更加直观地了解电动机控制系统的工作原理，加深了学生对理论知识的深入理解和熟练掌握，便于学生以平台为基础进行实际系统的工程仿真设计和创新。

4 结语

通过开展实验的仿真教学，采用MATLAB 仿真软件建立运动控制系统仿真实验平台，形象直观地展现抽象复杂的运动控制系统的理论，达到实验教学对课堂知识的深入理解、消化吸收的目的；同时引导学生，依据工程设计的方法和先进控制理论，在此平台进行开发设计，提高学生分析、设计和综合的能力，有助于高素质的应用型人才的培养。