MATLAB仿真技术在运动控制系统教学中的应用

2016年第1期总第172期95教师教材教法运动控制系统是高等学校自动化专业的重要专业课程。

课程涉及自动控制原理、电机及拖动基础、电力电子技术和计算机控制技术等多门课程的知识，具有较强的综合性和实践性[1]。

在此课程的教学改革和创新上，沈艳霞等人引入了CDIO 教学理念，从课堂教学、项目实施到考核方式等方面对工程教育模式进行了探讨[2]。

张兴华和姬宣德分别把Matlab/Simulink 引入到课堂教学中，对不同的调速系统进行仿真设计，加强学生对课堂知识的感性认识，提高教学趣味性[3-4]。

尚丽用在 Matlab 中的 Simulink 和GUI 界面，构建了该课程的虚拟实验平台，帮助学生直观地理解运动控制系统的组成和工作原理[5]。

包广清等提出了面向工程实践的综合训练方法，以教师承担的科研项目为平台，从项目各环节设计、教学组织实施以及学生学习评估等方面加深实践教学[6]。

本文借鉴了已有的改革方法，结合辽宁科技大学自动化专业的实际情况和特点，从工程应用型和创新型人才培养需要出发，将Matlab 仿真技术应用于课堂理论教学、实验教学、分组设计到科研训练等方面，达到理论与实践有效结合，引导学生独立进行控制系统的分析和设计，提高了学生的学习兴趣，增强了教学效果。

一、教学中存在的问题运动控制系统课程综合了多门专业课的知识，内容多且比较抽象。

目前，辽宁科技大学该课程仍然以课堂讲授理论知识为主，缺少工程实践的环境。

即使在教学中引入了多媒体的教学方法，仍难以让学生获得更加深刻的理性认识。

有限的实验课时无法让学生建立起系统概念，了解系统的结构和各因素变化对系统性能的影响[7]。

学生普遍反映该课学习和理解较困难。

学校的实验设备相对陈旧，设备数量有限且器件损坏严重。

实验学时数较少且内容相对落后， 多为简单的验证性实验。

在实验教师指导下学生按照实验指导书的要求在模块化的实验设备上进行简单连线，采集若干点数据，画出简单的特性曲线，难以绘制出电动机较逼真的机械特性和工作特性曲线[8]。

这些都不利于激发学生的学习兴趣，影响学生创新能力的提高。

二、MATLAB/Simulink在教学中的应用MATLAB 是目前国内广泛应用的仿真软件，其MATLAB仿真技术在运动控制系统教学中的应用张志华 王 莉 沈明新 李 琦 （辽宁科技大学 电子与信息工程学院 辽宁 鞍山 114051）摘 要：运动控制系统是自动化专业的重要课程，根据课程综合性和实践性的特点，把MATLAB 仿真技术引入到课程教学中。

采用仿真模型直观演示所授内容，通过仿真作业、仿真实验、分组项目和科研训练等多个环节引导学生进行仿真设计，弥补了教学中工程实践环节的不足，提高了学生分析问题、解决问题以及创新学习的能力。

关键词：MATLAB ；仿真技术；运动控制系统；自动化专业基金项目：辽宁省教育教学改革项目（UPRP20140290）；辽宁省本科综合改革试点专业资助项目（Z201130）；辽宁科技大学教学改革与教学建设项目（qnjj-2015-25）中国冶金教育CHINA METALLURGICAL EDUCATION2016年第1期总第172期96教师教材教法重要组件Simulink 为复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。

Simulink 的电气系统工具箱包含电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型，操作方便、简单易学，非常适用于运动控制系统的教学和实验[8]。

因此，把MATLAB/Simulink 仿真技术应用在运动控制系统教学中，学生可以很容易地进行系统设计与分析。

（一）仿真与课堂理论教学相结合运动控制系统分为直流调速系统和交流调速系统两部分。

课堂上如果有现场实物演示学习效果会更好，但由于设备场地等限制，现场演示很难实现，因此可以采用计算机仿真手段替代，采用一边介绍理论知识一边利用MATLAB/Simulink 软件搭建调速系统仿真模型的方式进行授课。

通过仿真实例，学生易于吸收所学的理论知识，并且达到和实践应用联系的目的。

在讲授直流调速部分时，根据课堂内容进程采用MATLAB/Simulink 依次建立电动机模型、开环直流调速系统、单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统的仿真模型。

以单闭环直流调速系统为例，先介绍单闭环直流调速系统的基本组成和工作原理，然后在Simulink 中找到构成系统的各个模块，搭建系统仿真模型。

通过模型中的示波器，学生能直观地看到系统响应曲线的变化趋势。

改变模型中各组成模块的参数，可以观察到各个参数变化对系统转速的影响。

当场验证了课堂所学的知识和调速方法，加深了学生对所学理论知识的理解。

控制器中PID 参数变化和扰动存在对系统性能的影响是教学的重点和难点，针对这个问题展开课堂分组讨论。

讨论过程中学生表现出积极地参与和思考，纷纷发表自己的见解。

讨论后让学生当堂对模型进行参数调整，验证自己的想法正确与否。

根据讲课内容，布置仿真作业，让学生课下自己研究建立仿真模型，进一步扩展课堂知识。

通过课上与课下的结合，加深了学生对调速方法的掌握，同时提高了学生分析系统和设计系统的能力。

与直流调速部分相比，交流调速部分包含大量的数学公式及模型推导，内容较难理解。

授课时根据异步电动机的数学模型中各个变量之间的关系，在MATLAB/Simulink 中先搭建电机模型的一部分，把完善其数学模型作为仿真作业留给学生。

学生在自己搭建模型的过程中，对复杂的电机模型有了深入的理解。

在电机模型的基础上，把建立转速开环变压变频调速系统的仿真模型作为实验让学生来设计。

随着后续教学内容的深入，课堂教学中进一步把它演变为闭环变压变频调速系统，而后逐步建立矢量控制系统和直接转矩控制仿真模型。

在此过程中，结合系统仿真模型，学生观察到电机的转速和电流的变化情况，调整相关参数并进行系统性能分析，直观看到各种控制方法的比较，达到了知识前后衔接，理论与实际相结合的教学目的。

这部分原本是较复杂较难的内容，学生普遍反映内容掌握较好。

对于仿真作业进行课堂随机提问，让学生演示自己的作业，并能够根据所提的问题进行适当的修改。

加强了学生课下学习的积极性，有效地抑制了学生相互抄袭的现象。

学生普遍反映采用仿真技术对课堂内容的理解起到了促进作用，对于一些不太明白的内容或者疑问，用MATLAB/Simulink 仿真软件可以方便地来加以验证和解决，提高了学生学习兴趣。

（二）仿真与传统实验相结合目前，本门课程一共5个实验，4个验证性实验和1个设计性实验。

对于验证性实验，在实验之前，指导学生根据实验要求与内容，预先对实验系统进行仿真模拟，根据仿真模型来调整参数，这个过程学生只要在装有MATLAB 软件的电脑上进行即可。

实验课时，直接设定仿真得到的调整参数对实物进行调试，根据实际控制的情况再对参数进行微调，将仿真波形和实际波形进行比较分析，进行实验验证。

这样的过程学生不仅直观深刻地了解各模块的性能以及模块内部参数对系统的影响，而且减少了实验设备的损坏和人身危险等情况的发生，降低了实验成本，实验效率得到了提高。

考虑到实验装置老化且陈旧，难以继续开发和创新，因此，设计性实验采用MATLAB/Simulink 进行仿真设计。

通用变频器控制系统一般采用转速开2016年第1期总第172期97教师教材教法环变压变频调速控制，实验以此为设计内容，脉宽调制部分采用SPWM。

教师在课堂上给出系统的设计要求及其基本参数，对模型建立过程进行简单说明，较难的部分给予一定的指导说明。

学生可以从图书馆或者从网上查询相关的知识，根据自己对所学知识的理解，进行仿真模型设计。

实验课前学生建立仿真模型的过程中，除了对构成系统主电路和其控制电路的各个模型的之间的关系有了深入的理解之外，对变压变频调速的基本原理、低频补偿以及SPWM 信号产生等理论知识，有了更加直观的认识，尤其是SPWM 信号的产生。

在学生搭建模型过程中，可以一步一步的看到SPWM 波形如何形成，掌握其产生的机理，以后可以根据自己的需要来生成波形。

在实验课上学生演示所建立的仿真模型，教师进行提问，进而指出存在哪些问题，学生修改后，教师再进行检查。

对于能力较强的同学，在原来设计基础上给定新的设计要求，让其修改相应的模型及参数，进行相应的系统分析。

通过仿真，学生不仅直观地看到电压、电流、转矩和转速变化波形及各个参数变化对系统性能的影响，更重要的是自身参与了系统设计和调试，对提高学生分析问题和解决问题的能力有很大的帮助。

最后，根据每个学生实验设计情况、回答情况和报告撰写情况给出实验成绩，全面真实地考察了学生对课程内容的掌握和实际运用能力。

（三）分组项目设计学生自由组合3~4人为一组，设计一个具有实际应用意义的调速系统仿真模型。

每组负责人对课题进行分工，所有成员研究讨论并在教师指导下确定系统总体设计方案。

然后小组成员按照不同分工分别实现被控对象数学模型的建立、控制器的设计和系统主电路设计，最终实现系统仿真模型的建立及其参数的调整，达到系统的控制指标要求。

每组负责人在课堂上用PPT 演示设计的成果，其他同学可以提问或者讨论，并撰写设计报告。

最后，根据每组选题的难易程度、项目的设计完成情况、每个成员的贡献情况以及设计报告的撰写情况给出成绩。

（四）科研训练对于有进一步学习愿望的学生，让他们参与到教师指导的大学生科研训练项目。

在项目中，学生不仅可以进行仿真模拟，还可以进行系统软硬件的设计，最后实现系统的仿真与实物调试的结合。

通过这个项目，学生工程实践能力得到更大提高。

三、结 语MATLAB 仿真技术是在自动化2012级4~6个班的运动控制系统教学中首次应用。

仿真技术的引入既加强了学生对理论知识的掌握，同时也增强了其实践动手能力，为验证理论知识，进行高效的工程设计打下良好的基础。

课程结束时，学生普遍反映仿真技术的采用增加了他们的学习兴趣，学会了用这门课的知识进行初步的工程分析和设计。

因此，可以说MATLAB 仿真技术在一定程度上为学生今后从事运动控制系统方面的设计和研究打下了坚实基础，值得在教学中很好借鉴。

参考文献：[1]朱艺锋，郑 征，余发山，等. 专业课程“运动控制系统”的课堂教学方法探析[J].实验室研究与探索，2013，32（11），374-388.[2]沈艳霞，潘庭龙，纪志成.CDIO-P 培养模式下运动控制系统课程改革探索[J].江南大学学报：教育科学版，2009，29（3）:270-273.[3]张兴华.Simulink/PSB 在“运动控制系统”实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索，2006， 25（9）:1076-1078.[4]姬宣德.MATLAB 在《运动控制系统》教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2010， 22（3）:156-160.[5]尚丽，淮文军.基于Matlab/Simulink 和GUI 的运动控制系统虚拟实验平台设计[J].实验室研究与探索，2010，29（6）:66-71. [6]包广清，吴延明，杨新华.面向工程实践的运动控制系统综合训练改革[J].实验的技术与管理，2014，31（4）:150-153.[7]吴晓新 顾菊平 吴晓. 基于计算机辅助手段的运动控制系统教学改革研究[J].中国教育技术装备， 2014（18）: 109-111.[8]刘继光，张健.运动控制综合实验新模式-仿真与传统实验的有机结合[J].实验室研究与探索，2011，30（3）：383-386.[9]沈艳霞，赵芝璞，纪志成.Matlab/Simulink 在运动控制系统教学中的应用[J]. 贵州大学学报：自然科学版，2005，22（4）：435-438.。