电力拖动自动控制系统中的仿真教学探讨

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1。前言

“电气传动自动控制系统”是电气工程及其自动化专业的一门主干专业课。该课程知识全面，涵盖面广。它整合了“自动控制原理”、“电机驱动”、“电力电子技术”和“检测技术”等课程的相关知识本课程也是后续课程。苐yi门课程包括“计算机控制系统”和“伺服控制系统”本课程的特点是综合所学知识，灵活运用所学知识，建立控制系统物理系统的完整概念，理论与实践紧密结合。

在本课程的传统课堂教学中，教师通常采用& ldquo全屋灌溉& rdquo新的教学方法教授理论知识。学生处于完全被动的状态，只能机械地记住原则。他们又无聊又无聊。他们逐渐对学习失去兴趣，甚至厌倦学习，从而严重影响教学效果。特别是，学生没有实际工作经验，他们对课程或知识的理解非常模糊。他们甚至无法将所学知识与工程应用联系起来，这不符合我们培养应用型人才的目标。

在电气传动自动控制课程的教学过程中，引入Matlab计算机仿真软件辅助教学，通过计算机仿真模型将课程内容与实际应用相结合。老师一边示范一边说话，学生一边操作一边学习。这种方式将使学生积极参与课堂教学，也提高他们的学习兴趣和积极性。

使用Matlab中的Simulink软件进行系统仿真非常简单直观。Simulink提供了一个使用系统模型框图进行配置的仿真平台。使用Simulink进行仿真和分析就像在纸上画图一样简单。利用Simulink构建电驱动自动控制系统通常有两种方法，一种是基于系统的动态结构图，另一种是基于系统的电气结构图它们有自己的特点，本文将分别进行解释。< br/ > 2。根据系统动态结构图的模拟，自动控制系统的动态分析是为了判断系统的稳定性，掌握各种动态性能指标与动态参数之间的关系以DC调速系统为例，无论是单闭环系统还是双闭环系统，该系统都包括可变DC电源、调节器、电机、反馈装置等环节建立各环节的传递函数，根据它们之间的相互关系形成系统的动态结构图，从而进行动态分析。在传统的课堂教学中，学生无法直观地观察和发现动态参数对调速性能的影响，因此可以利用Simulink根据系统的动态结构图建立仿真模型

Simulink的连续模块库中的传递函数模块用于建立电机、DC电源和其他链接的模型，并将它们组合在一起用这种方法建模的前提是要知道各部件的传递函数。其优点是系统模型简单，建模容易，参数修改方便。

图1根据动态结构图建立的单闭环调速系统仿真模型

以速度负反馈单闭环DC调速系统为例，根据系统动态结构图建立的模型如图1所示当电机空载启动时，它将在1秒内突然满载。电机速度和电流变化的波形如图2所示。

图2单闭环调速系统输出仿真曲线

结合模型和仿真结果可以看出:(1)电机空载启动时的电流非常大，这对学生来说是一种非常直观的感觉(2)在电机启动调整期间，电流反向。这是因为晶闸管整流器在动态结构图中的传递函数是线性的，而实际的晶闸管整流器不能传递反向电流。因此，这也是动态结构图建模和电气结构图建模的区别。后者能更好地反映系统的工作情况。(3)在负荷突然增加和突然减少时，学生可以得到实时直观的显示，加深对动态调节过程的理解

在教学之前，教师可以预先建立模型，并在课堂上运行，以获得输出响应曲线在教学中，可以引导学生分析为什么启动时电流大，为什么电流在动态过程中反向，以及为什么电机在满载时能以给定的速度稳定运行。让学生回答问题，思考他们所谈论的理论知识。学生将有更强的接受能力和更高的学习热情。< br/ > 3。根据系统电气结构图进行仿真

电力系统工具箱SimPowerSystems在Simulink中包含电源、变压器、电机、电阻、电容和各种电力电子元件。因此，可以通过从组件库中选择所需的组件并根据系统电气结构图连接它们来构建系统不需要预先推导各个环节的传递函数，建模过程更接近真实系统的构建过程。以双闭环DC调速系统为例，根据系统电气结构图建立的模型如图3所示。

图3根据电气结构图建立的双闭环调速系统仿真模型

在根据电气结构图建立的系统中，电源和电机由SimPowerSystems中的元件实现，系统的主电路由交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电机连接而成。控制回路的主体是速度调节器、电流调节器和反馈滤波器环节，它们类似于根据上述动态结构图的单闭环系统的仿真。与基于动态结构图的仿真相比，该建模方法能使学生获得更直观、更直接的效果。当电动机空载启动时，当它达到0.6s时，它将突然满载。电动机速度和电流变化的波形如图4所示。

图4双闭环速度控制系统的输出仿真曲线

结合模型和仿真结果可以看出:(1)电机启动时，电流迅速上升到一个大值，这是启动的苐yi阶段；然后保持大电流，电机以恒定的加速度上升到给定的速度，这是第二阶段；之后，转速和电流相互调节，进入第三阶段启动，直到系统达到稳定。从图中可以清楚地看出，这三个阶段，结合教学中的输出波形说明，将大大提高学生对双闭环DC调速系统启动过程的理解和掌握。(2)在0.4s起动过程结束时，电枢电流下降到0，转速上升到很高并被过度调节，电流被赋予为负，但晶闸管整流器不能产生反向电流。此时，电枢电流为0，由于空载起动，电机保持在高转速状态，这与带负载起动有很大不同(3)当突然施加负载时，速度和电流都将动态变化。如果调节器参数选择得不够好，就会出现振荡过程。

系统动态结构图模拟和系统电气结构图模拟均可用于电气传动自动控制系统的教学。考虑到学生与仿真软件的初次接触和时间限制等问题，在理论教学中用动态结构图建模更简单、更实用。电气结构图模拟可用于课程设计。电流调节器和转速调节器的参数可根据工程设计方法获得。学生使用电力系统模块库中提供的组件来构建系统并完成系统仿真。< br/ > 4。结论

将Matlab仿真引入到电气传动自动控制系统的课堂教学中，加深了学生对系统的理解，使学生能够很好地将所学知识与实际应用相结合，对学生掌握、分析和设计自动控制系统具有重要作用。