黃敏 陳豐 張華 張新偉
【摘要】通過分析機(jī)電傳動與控制課程的教學(xué)中存在的一些問題,知識點抽象、課堂演示困難、實驗學(xué)時少、缺乏創(chuàng)新型、設(shè)計型實驗及實驗資源有限等問題,在教學(xué)中引入MATLAB/Simulink仿真軟件激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性,提高本課程的教學(xué)效果。
【關(guān)鍵詞】MATLAB仿真 機(jī)電傳動與控制 教學(xué)改革
【基金項目】安徽省省級重大教學(xué)研究項目《應(yīng)用型本科高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、社會責(zé)任教育、實踐教育‘三位一體教學(xué)改革探索與實踐》(項目編號:2016jyxm0237);安徽省省級一般教學(xué)研究項目《基于PDCA質(zhì)量循環(huán)理論的應(yīng)用型本科專業(yè)教育質(zhì)量學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建》 (項目編號:2016jyxm0251);安徽省省級質(zhì)量工程項目《機(jī)械電子工程專業(yè)卓越工程師教育培養(yǎng)計劃》(項目編號:2015zjjh021)。
【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089(2018)13-0222-02
1.引言
《機(jī)電傳動與控制》是機(jī)械電子工程專業(yè)的一門重要的核心課程。本課程主要內(nèi)容分為機(jī)電傳動系統(tǒng)驅(qū)動元件、機(jī)電傳動系統(tǒng)控制兩部分,包括直流電機(jī)、交流電機(jī)、控制電機(jī)和傳動控制的基礎(chǔ)理論,控制電器和繼電器—接觸器控制系統(tǒng),電力半導(dǎo)體器件,直流電動機(jī)以及步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)等,其目的就是學(xué)習(xí)和掌握常見機(jī)電系統(tǒng)中的傳動與控制技術(shù)。該課程綜合了機(jī)械、電子、控制三大技術(shù)領(lǐng)域的知識,以機(jī)電系統(tǒng)為對象搭建控制系統(tǒng),是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。而MATLAB中的Simulink環(huán)境可以根據(jù)需要搭建框圖建立系統(tǒng)的仿真模型,解決課堂上演示電機(jī)的啟動、調(diào)速、制動原理就變得輕而易取了,有利于提高學(xué)生對理論的理解和應(yīng)用。
2.傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足
首先,傳統(tǒng)的教學(xué)模式采用課堂教學(xué)與實驗教學(xué)結(jié)合的方式。在課堂教學(xué)中,由于采用板書與多媒體相結(jié)合的方式,課程的信息量大大增加了,使得學(xué)生仍處于被動的接受狀態(tài),不利于學(xué)生理解復(fù)雜抽象的理論知識。機(jī)電傳動與控制實驗所需的儀器設(shè)備體積質(zhì)量都比較大、難以用于課堂演示,使得課堂教學(xué)中效果不理想。其次,本課程實驗課時偏少、實驗類型單一。由于總的教學(xué)課時被壓縮,相應(yīng)的實驗課時也被適當(dāng)?shù)臏p少,目前安徽科技學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本課程共48學(xué)時,其中理論40學(xué)時,實驗8學(xué)時。相對于所需要的課時,由于課時減少讓課程顯得很緊促,這大大影響了教學(xué)質(zhì)量?,F(xiàn)在,教學(xué)中的實驗主要以原理驗證性實驗為主,實驗類型比較初級,缺乏創(chuàng)新和設(shè)計性的綜合實驗,這與本課程設(shè)計的理念和現(xiàn)實工作的需要不相符。第三,相對有限的實驗設(shè)備,學(xué)生人數(shù)比較多,使得實驗課程的安排比較緊張、靠后。一般情況下,理論知識講完很長時間后相應(yīng)的實驗才開始,實驗課程收不到預(yù)期的效果。在實驗課中,一般5-6人一組,每組只有1-2人在做實驗,很多學(xué)生沒有做實驗的興趣,上實驗課只是完成一項任務(wù),存在渾水摸魚的現(xiàn)象。最終學(xué)生失去上實驗課的興趣,進(jìn)而影響教學(xué)的效果。
針對以上存在的教學(xué)問題,授課教師可在教學(xué)過程中引入MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行實例仿真輔助教學(xué)。美國The Math Works公司推出的 MATLAB語言一直是國際科學(xué)界應(yīng)用和影響最廣泛的三大計算機(jī)數(shù)學(xué)語言之一。在控制類學(xué)科中,MATLAB語言更是科學(xué)研究者首先的語言。MATLAB下提供的Simulink提供的模塊包括一般線性、非線性控制系統(tǒng)所需的模塊,也有更高層次的模塊,例如電氣系統(tǒng)模塊集中提供的電機(jī)模塊、SimMechanics提供的剛體及關(guān)節(jié)模塊等,這使得用戶可以輕易地對感興趣的系統(tǒng)進(jìn)行仿真,得出希望的結(jié)果[1]。該軟件具有高效的數(shù)值處理、可視化建模和實時控制的原始內(nèi)核,已成為適應(yīng)多學(xué)科領(lǐng)域的不可或缺的研究平臺和教學(xué)工具傳統(tǒng)教學(xué)模式無法滿足該課程教學(xué)的需求。[2]因此將課程中涉及到的電和控制等方面的抽象知識通過Simulink仿真形象地表達(dá)出來,是本課程教學(xué)中值得探討的課題。
3.Simulink仿真的應(yīng)用
啟動Simulink仿真,建立異步電動機(jī)拖動系統(tǒng)的仿真模型,可直觀獲得信號的動態(tài)變化過程和穩(wěn)態(tài)參量,為電機(jī)拖動的研究和教學(xué)提供便利。[3] 建立三相鼠籠式異步電動機(jī)的直接啟動模型如圖1所示。所選電機(jī)參數(shù)如下:額定功率3.73kW,線電壓460V,頻率60Hz,定子電阻0.087Ω,漏感0.8mH,轉(zhuǎn)子電阻0.028Ω,漏感0.8mH,定轉(zhuǎn)子互感34.69mH,轉(zhuǎn)動慣量1.662kg·m 2,摩擦系數(shù)為0,電機(jī)極對數(shù)P=2。三相對稱交流電源相位互差120°,幅值為380V;三相異步電動機(jī),給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩20N·m。三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2-a所示,在電機(jī)啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩是震蕩的,穩(wěn)定時與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等為20N·m;電機(jī)的轉(zhuǎn)速從0開始上升,最終到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),整個過程清晰可見。人為將輸入電壓調(diào)整為380V并保持其它參數(shù)不變,仿真后可以得到人為機(jī)械特性如圖2-b所示??梢缘贸霎?dāng)電源電壓降低后,機(jī)械特性由圖2-a向左平移,最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩下降,但是穩(wěn)定運行時的電磁轉(zhuǎn)矩不變。
圖1三相異步電機(jī)機(jī)械特性的仿真模型
a.固有機(jī)械特性 b.改變定子電壓時人為機(jī)械特性
圖2 三相異步電機(jī)機(jī)械特性曲線
在教學(xué)過程中,教師需要提前搭建好仿真模型。然后在課堂上先對三相異步電機(jī)的固有機(jī)械特性、人為特性理論知識進(jìn)行講解;在講解的過程中由電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)公式T=K■以及最大轉(zhuǎn)矩公式Tmax=K■[4]可以得到的結(jié)論是:降低電源電壓時,理想空載轉(zhuǎn)速n0和臨街轉(zhuǎn)差率sM不變,但是最大轉(zhuǎn)矩Tmax與U2成正比,所以最大轉(zhuǎn)矩大大減小,因此在繪制降低電源電壓的人為機(jī)械特性時,以固有機(jī)械特性為基礎(chǔ),在不同的轉(zhuǎn)差率處,取固有機(jī)械特性上對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩乘以降低電壓與額定電壓比值的平方即可得到認(rèn)為特性曲線。接著再通過課前搭建好的仿真模型進(jìn)行演示,通過示波器或X-YGraph學(xué)生可清晰看到電動機(jī)啟動過程中轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的變化;并現(xiàn)場修改電機(jī)某一參數(shù)同時其他參數(shù)保持不變來得到該電動機(jī)的人為特性曲線,并與固有特性曲線進(jìn)行比較,與公式推導(dǎo)相比這里可以更形象地觀察到最大轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)矩所發(fā)生的變化,增強(qiáng)學(xué)生的身臨其境的感受,有利于學(xué)生對理論知識的理解。除此之外,本課程中還有很多可以進(jìn)行仿真教學(xué)的案例,比如直流電機(jī)的串級啟動、能耗制動,三相異步電機(jī)的能耗制動、反接制動等等,在合適的場合引入仿真教學(xué)案例以彌補(bǔ)目前教學(xué)中的一些不足,從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時,引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識進(jìn)一步進(jìn)行探索,提升創(chuàng)新能力,最終提高本課程的教學(xué)效果。
4.總結(jié)
仿真教學(xué)并不能取代真實實驗環(huán)境給學(xué)生帶來的影響,在教學(xué)過程中對仿真案例的選擇要慎重,只有在合適的節(jié)點插入相應(yīng)的仿真案例才能取得良好的教學(xué)效果。本文通過分析本校機(jī)械電子工程專業(yè)《機(jī)電傳動與控制》課程目前的教學(xué)模式,針對教學(xué)過程的不足,運用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建電機(jī)運行的系統(tǒng)框圖,更形象地展示本課程相對應(yīng)的知識點,通過實踐本課程的課堂教學(xué)效果得到了改善,同時學(xué)生反饋學(xué)習(xí)積極性高了,課堂氣氛也更加活躍。
參考文獻(xiàn):
[1]薛定宇著.《控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計——MATLAB語言與應(yīng)用》(第三版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.
[2]徐志佳.基于MATLAB的機(jī)電傳動控制的仿真教學(xué)[J].貴陽學(xué)院學(xué)報,2014,9(3):69-71.
[3]羅松江,劉毅.基于Simulink的異步電機(jī)電力拖動系統(tǒng)動態(tài)仿真[J]. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報,2011,24(2):64-66.
[4]馮秀清,鄧星鐘等編著.《機(jī)電傳動控制》(第五版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011.
作者簡介:
黃敏(1985- ),女(漢族),安徽鳳陽人,安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助教,碩士,研究方向:控制理論與控制工程。