基于MATLAB仿真的《机电传动与控制》的教学改革

黄敏 陈丰 张华 张新伟

【摘要】通过分析机电传动与控制课程的教学中存在的一些问题，知识点抽象、课堂演示困难、实验学时少、缺乏创新型、设计型实验及实验资源有限等问题，在教学中引入MATLAB/Simulink仿真软件激发学生学习的主动性、创新性，提高本课程的教学效果。

【关键词】MATLAB仿真 机电传动与控制 教学改革

【基金项目】安徽省省级重大教学研究项目《应用型本科高校创新创业教育、社会责任教育、实践教育‘三位一体教学改革探索与实践》（项目编号：2016jyxm0237）；安徽省省级一般教学研究项目《基于PDCA质量循环理论的应用型本科专业教育质量学校标准构建》 （项目编号：2016jyxm0251）；安徽省省级质量工程项目《机械电子工程专业卓越工程师教育培养计划》（项目编号：2015zjjh021）。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）13-0222-02

1.引言

《机电传动与控制》是机械电子工程专业的一门重要的核心课程。本课程主要内容分为机电传动系统驱动元件、机电传动系统控制两部分，包括直流电机、交流电机、控制电机和传动控制的基础理论，控制电器和继电器—接触器控制系统，电力半导体器件，直流电动机以及步进电动机的开环和闭环控制系统等，其目的就是学习和掌握常见机电系统中的传动与控制技术。该课程综合了机械、电子、控制三大技术领域的知识，以机电系统为对象搭建控制系统，是结构复杂的非线性系统。而MATLAB中的Simulink环境可以根据需要搭建框图建立系统的仿真模型，解决课堂上演示电机的启动、调速、制动原理就变得轻而易取了，有利于提高学生对理论的理解和应用。

2.传统教学模式的不足

首先，传统的教学模式采用课堂教学与实验教学结合的方式。在课堂教学中，由于采用板书与多媒体相结合的方式，课程的信息量大大增加了，使得学生仍处于被动的接受状态，不利于学生理解复杂抽象的理论知识。机电传动与控制实验所需的仪器设备体积质量都比较大、难以用于课堂演示，使得课堂教学中效果不理想。其次，本课程实验课时偏少、实验类型单一。由于总的教学课时被压缩，相应的实验课时也被适当的减少，目前安徽科技学院机械电子工程专业本课程共48学时，其中理论40学时，实验8学时。相对于所需要的课时，由于课时减少让课程显得很紧促，这大大影响了教学质量。现在，教学中的实验主要以原理验证性实验为主，实验类型比较初级，缺乏创新和设计性的综合实验，这与本课程设计的理念和现实工作的需要不相符。第三，相对有限的实验设备，学生人数比较多，使得实验课程的安排比较紧张、靠后。一般情况下，理论知识讲完很长时间后相应的实验才开始，实验课程收不到预期的效果。在实验课中，一般5-6人一组，每组只有1-2人在做实驗，很多学生没有做实验的兴趣，上实验课只是完成一项任务，存在浑水摸鱼的现象。最终学生失去上实验课的兴趣，进而影响教学的效果。

针对以上存在的教学问题，授课教师可在教学过程中引入MATLAB/Simulink软件进行实例仿真辅助教学。美国The Math Works公司推出的 MATLAB语言一直是国际科学界应用和影响最广泛的三大计算机数学语言之一。在控制类学科中，MATLAB语言更是科学研究者首先的语言。MATLAB下提供的Simulink提供的模块包括一般线性、非线性控制系统所需的模块，也有更高层次的模块，例如电气系统模块集中提供的电机模块、SimMechanics提供的刚体及关节模块等，这使得用户可以轻易地对感兴趣的系统进行仿真，得出希望的结果[1]。该软件具有高效的数值处理、可视化建模和实时控制的原始内核，已成为适应多学科领域的不可或缺的研究平台和教学工具传统教学模式无法满足该课程教学的需求。[2]因此将课程中涉及到的电和控制等方面的抽象知识通过Simulink仿真形象地表达出来，是本课程教学中值得探讨的课题。

3.Simulink仿真的应用

启动Simulink仿真，建立异步电动机拖动系统的仿真模型，可直观获得信号的动态变化过程和稳态参量，为电机拖动的研究和教学提供便利。[3] 建立三相鼠笼式异步电动机的直接启动模型如图1所示。所选电机参数如下：额定功率3.73kW，线电压460V，频率60Hz，定子电阻0.087Ω，漏感0.8mH，转子电阻0.028Ω，漏感0.8mH，定转子互感34.69mH，转动惯量1.662kg·m 2，摩擦系数为0，电机极对数P=2。三相对称交流电源相位互差120°，幅值为380V；三相异步电动机，给定负载转矩20N·m。三相异步电动机的机械特性曲线如图2-a所示，在电机启动过程中电磁转矩是震荡的，稳定时与负载转矩相等为20N·m；电机的转速从0开始上升，最终到达稳定状态，整个过程清晰可见。人为将输入电压调整为380V并保持其它参数不变，仿真后可以得到人为机械特性如图2-b所示。可以得出当电源电压降低后，机械特性由图2-a向左平移，最大转矩和启动转矩下降，但是稳定运行时的电磁转矩不变。

图1三相异步电机机械特性的仿真模型

a.固有机械特性 b.改变定子电压时人为机械特性

图2 三相异步电机机械特性曲线

在教学过程中，教师需要提前搭建好仿真模型。然后在课堂上先对三相异步电机的固有机械特性、人为特性理论知识进行讲解；在讲解的过程中由电磁转矩的参数公式T=K■以及最大转矩公式Tmax=K■[4]可以得到的结论是：降低电源电压时，理想空载转速n0和临街转差率sM不变，但是最大转矩Tmax与U2成正比，所以最大转矩大大减小，因此在绘制降低电源电压的人为机械特性时，以固有机械特性为基础，在不同的转差率处，取固有机械特性上对应的转矩乘以降低电压与额定电压比值的平方即可得到认为特性曲线。接着再通过课前搭建好的仿真模型进行演示，通过示波器或X-YGraph学生可清晰看到电动机启动过程中转速、电磁转矩的变化；并现场修改电机某一参数同时其他参数保持不变来得到该电动机的人为特性曲线，并与固有特性曲线进行比较，与公式推导相比这里可以更形象地观察到最大转矩、启动转矩所发生的变化，增强学生的身临其境的感受，有利于学生对理论知识的理解。除此之外，本课程中还有很多可以进行仿真教学的案例，比如直流电机的串级启动、能耗制动，三相异步电机的能耗制动、反接制动等等，在合适的场合引入仿真教学案例以弥补目前教学中的一些不足，从而激发学生学习兴趣的同时，引导学生运用所学知识进一步进行探索，提升创新能力，最终提高本课程的教学效果。

4.总结

仿真教学并不能取代真实实验环境给学生带来的影响，在教学过程中对仿真案例的选择要慎重，只有在合适的节点插入相应的仿真案例才能取得良好的教学效果。本文通过分析本校机械电子工程专业《机电传动与控制》课程目前的教学模式，针对教学过程的不足，运用MATLAB/Simulink仿真软件搭建电机运行的系统框图，更形象地展示本课程相对应的知识点，通过实践本课程的课堂教学效果得到了改善，同时学生反馈学习积极性高了，课堂气氛也更加活跃。

参考文献：

[1]薛定宇著.《控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用》（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]徐志佳.基于MATLAB的机电传动控制的仿真教学[J].贵阳学院学报，2014，9（3）：69-71.

[3]罗松江，刘毅.基于Simulink的异步电机电力拖动系统动态仿真[J]. 仲恺农业工程学院学报，2011，24（2）：64-66.

[4]冯秀清，邓星钟等编著.《机电传动控制》（第五版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

作者简介：

黄敏（1985- ），女（汉族），安徽凤阳人，安徽科技学院机械工程学院助教，硕士，研究方向：控制理论与控制工程。