《运动控制系统》课程虚拟实验的设计

摘 要： 针对《运动控制系统》课程实验设备的限制及课程教学内容的需要，衢州学院引入MATLAB/Simulink仿真平台，在此基础上逐步开发与课程相关的虚拟实验项目。这些虚拟实验项目的引用不仅丰富了课堂教学内容，而且在一定程度上提高了学生的实践能力和创新能力。

关键词： 《运动控制系统》课程 MATLAB/Simulink 虚拟实验

1.引言

《运动控制系统》课程是电气自动化专业和过程自动化专业的一门专业主干课程，该课程信息量大，综合性强，覆盖面宽，是实践性和应用性很强的一门课程［１，２］。按照课程教学大纲的要求，学生至少要完成三个实验：

（1）晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验。

（2）单闭环晶闸管直流调速系统实验。

（3）双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验。

很明显，学生面对的不再是简单的基础性或者验证性实验，而是综合设计实验。第一次使用如此复杂的元件、设备、仪器、仪表、导线、工具，大部分学生往往会无从着手，再加上缺乏前期专业知识的系统学习，导致在实验过程中经常性地发生误操作。除此之外，课程无论理论学习还是从实践设计，都由一个非常明显的特点：综合，也正是这一点让大部分同学或因为困难，或因为缺少客观目标而缺乏学习兴趣。针对以上问题，我院提出了在实践教学中引入投资少、见效快的虚拟实验［3］。

虚拟技术已被应用到教学和科研的很多领域。利用现有的计算机资源在计算机平台上开设一些虚拟实验项目，不需要大量的仪器和设备，具有节省投资和场地投入的优点。学生一旦掌握了虚拟实验的方法，就能在计算机平台上进行内容更深入、更丰富的研究，有利于提高学生的学习兴趣，培养实践和创新能力。另外，实验的图文资料可以丰富课堂教学内容。

2．仿真平台MATLAB/Simulink

由美国Math Works公司推出的Matlab仿真软件是一款国际公认的优秀科技应用软件。它为许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。最新版MATLAB7中的电力系统仿真工具箱（Power System Blocksets），为运动控制系统的仿真设计提供了一个极好的软件平台［4，5，6，7］。

在MATLAB环境下，利用Simulink仿真工具箱，采用结构化和模块化的方法，可以在课堂教学和实验教学中方便地构建出运动控制系统的仿真模型，辅助课堂教学和实验教学。通过实时地显示系统中各种数据和信号波形，可以加深学生对系统工作原理和相关基本概念的认识与理解，提高学习兴趣。

3．虚拟实验的设计

在虚拟实验内容的安排上，我们参考了传统实验，由浅入深地安排了几个经典的仿真实例［8，9，10］，分别如下。

3.1开环直流调速系统仿真实验

考虑到实验的相似性，我们一开始就把开环直流调速系统的主电路和同步脉冲晶闸管触发电路设置成仿真子模块，方便调用［7］。如下图1所示，主电路由三相对称交流电压源（380V 50Hz）、晶闸管整流桥（Universal Bridge）、平波电抗器（serial RLC Branch）、直流电动机（DC machine）、直流励磁电压源（220V）等部分组成。而触发触发电路由1个同步6脉冲发生器（Synchronized 6-Pulse Generator）和3个电压测量表（Voltage Measurment）组成。

通过仿真，可以得到大量的图像数据结果并以此形象地说明调速性能的优劣，由于篇幅限制，我们只采用速度曲线仿真结果来比较不同控制方式下的性能差别。开环调速系统的控制电路中设置给定速度曲线为120rad/s，饱和限幅器的限值（130，0），完成图2（a）连线，仿真结果显示为图2（b）。

3.2单闭环有静差晶闸管直流调速系统仿真实验

单闭环有静差晶闸管直流调速系统的主电路和触发电路连线、参数设置同图1子模块，但是控制电路的连线如图3（a），这里的ASR我们采用一个gain（10）放大环节，并把转速输出以系数1反馈到输入端。仿真结果如下图3（b）。

3.3双闭环晶闸管不可逆直流调速系统仿真实验

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的主电路如图1，控制电路的连线如图4（a），至于ASR和ACR两个调节器我们采用两个PID放大环节，而转速和电流则分别以系数1和0.1反馈到相应端。仿真结果如下图3（b）。

4．结语

我们简单地以三个运动控制系统中的典型实验为对象进行了虚拟仿真，整个过程既不需要繁琐的编程，又不需要推导系统复杂的动态数学模型，只需从工具箱的元件库中复制所需的电气元件，按电气系统进行连接并适当设置参数就可以实现，而且建模过程接近实际电路设计过程，适合学生在无人指导的情况下自行在计算机上完成设计和调试，甚至还可以拓展研究。至于仿真结果，可以帮助教师借助形象逼真的图形语言讲解复杂难懂的理论知识点，有助于学生理解掌握，如用以上三个仿真实验说明开环系统输出的易受扰动，单闭环有静差系统的速度超调和稳定误差的影响，以及双闭环无静差系统的动态特性，等等。

参考文献：

［1］阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［2］尔桂花，窦曰轩.运动控制系统［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［3］李萍，厉虹，侯怀昌.电气工程及其自动化专业运动控制系统课程实验教学改革探讨［J］.教育理论与实践，2010，30，（5）:61-63.

［4］Power System Blockset User’s Guide［M］.The MathWorks，Inc.2001.

［5］张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［6］洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［7］周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［8］汪小平，洪乃刚，范国伟.电机和电力拖动控制系统课程虚拟实验的开发［J］.安徽工业大学学报，2007，24，（5）:131-132.

［9］方清城，罗中良，官峰等.运动控制系统在实验教学中引用［J］.实验室技术与管理，2007，24，（1）:73-76.

［10］张兴华.基于Simulink/PSB的异步电机变频调速系统的建模与仿真［J］.系统仿真学报，2005，17，（9）:2099-2103.

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