機電一體化系統(tǒng)案例仿真教學(xué)研究范文

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摘要:

把matlab/simulink仿真技術(shù)用于機電一體化系統(tǒng)課程教學(xué)研究，設(shè)計了課程中的一個典型案例來闡述simulink混合仿真技術(shù)的關(guān)鍵步驟和過程，使學(xué)生能把課程各知識點由易到難、由元部件到系統(tǒng)串聯(lián)起來。結(jié)果表明，matlab/sim-ulink的跨物理平臺、開放的混合建模仿真技術(shù)，適用于多學(xué)科相結(jié)合的機電一體化系統(tǒng)課程的教學(xué)研究，有助于學(xué)生對課程的理解，降低了教學(xué)成本。

關(guān)鍵詞:

simulink;仿真建模;機電一體化系統(tǒng);教學(xué)研究

“工業(yè)4．0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法，其包涵了智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流這三大主題。中國制造2025是國家實施制造強國戰(zhàn)略的行動綱領(lǐng)，而智能制造又是引領(lǐng)中國制造走向高端的切入點。因此，這對與“智能制造”相關(guān)的高校課程教學(xué)改革既是一個機遇和方向，也是一個挑戰(zhàn)，其中對機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)改革是不可忽視的。機電一體化系統(tǒng)是一門綜合性、應(yīng)用型很強的課程，它涉及的知識面廣泛，包括了機械部分、電氣部分、系統(tǒng)控制部分等，是智能制造中不可或缺的部分，對培養(yǎng)機電專業(yè)人才具有重要作用。目前，購買龐大的機電實驗設(shè)備是一種不錯的理論聯(lián)系實踐的教學(xué)方法，但資金投入較大，這對大多數(shù)高校是一個不小的負擔(dān)。而仿真的引入能夠彌補這方面的缺陷，又能提高學(xué)生對理論知識的理解。目前國際上科學(xué)運算與計算機仿真領(lǐng)域首選的計算機語言是matlab，與之配套的simulink仿真技術(shù)，并且它涵蓋了數(shù)值計算與分析、信號處理、圖像處理、通信、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試測量等眾多領(lǐng)域，為不同的物理系統(tǒng)混合仿真提供了新的有效的解決方案。因此，把matlab/simulink引入機電一體化系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)改革，并選取合適的案例進行教學(xué)，是一種非常不錯的解決方法。

1案例選取

機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱，是一門面向應(yīng)用的技術(shù)，代表了機械產(chǎn)品的柔性化和智能化發(fā)展方向，因此，案例的選取也體現(xiàn)這一點。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計為機械制造及自動化、機械電子工程等機械專業(yè)方向的必修專業(yè)主干課程，并且要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程之前需要進行《機械原理》《機械設(shè)計》《電路》《電力電子技術(shù)》《電機傳動控制》《測試技術(shù)》《控制工程基礎(chǔ)》《微機原理》《電氣控制技術(shù)》等先修課程的學(xué)習(xí)。所以，把matlab/simulink仿真引入多學(xué)科融合的、理論與實踐相結(jié)合的機電一體化系統(tǒng)是教學(xué)課程改革中的一個關(guān)鍵點，需要從課程中合理地選取案例，使之既能反映各部分知識點又能反映它們之間的系統(tǒng)聯(lián)系。從不同的角度進行選取，在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計這門課程中滿足條件的案例是有很多的，其中電機控制作為機電一體化系統(tǒng)設(shè)計一直以來是一個重要的知識點。本文選取直流電機閉環(huán)調(diào)速控制作為案例進行分析，涉及《電路》《電力電子技術(shù)》《電機傳動控制》《測試技術(shù)》《控制工程基礎(chǔ)》《電氣控制技術(shù)》等基礎(chǔ)課程，包含有單相交流電、三相交流電、AC－DC整流、電橋、晶閘管特性、直流電機機械特性、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等知識點。并且，用matlab/simulink仿真技術(shù)把這些知識點從簡單到難串聯(lián)起來，開放建模系統(tǒng)，這將有助于學(xué)生從系統(tǒng)的角度學(xué)習(xí)掌握機電一體化知識。

2案例仿真研究過程

在引入matlab/simulink的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程仿真教學(xué)設(shè)計中，仿真思路是先從元器件的性能開始，然后簡單開環(huán)控制，最后到閉環(huán)控制。這樣使學(xué)生不僅能弄清楚各個元器件，還能分析整個系統(tǒng)。下面就是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程中典型案例的matlab/simulink仿真建模設(shè)計的關(guān)鍵步驟。

2．1元器件選取在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的直流電機控制仿真典型案例中，所涉及的元器件模塊有ACVoltageSource、Scope、Sum、Step、Constant、ParallelRLCBranch、DCMachine、CurrentMeasure-ment、VoltageMeasurement、MeanValue、Powergui、PIDControl-ler、Display、Synchronization6－PulseGenerator、Thyristor、Univer-salBridge、PulseGenerator、Terminator等主要模塊。

2．2主要部件測試分析為了使學(xué)生不僅能學(xué)到系統(tǒng)知識，還需要讓學(xué)生知道各個元器件的知識點，因此有必要設(shè)計元器件主要模塊的分析模型。下面設(shè)計三相交流電、單相交流電整流、三相交流電整流、晶閘管原理模塊、橋式整流模塊，并進行必要說明，起到從元器件到簡單系統(tǒng)的過渡作用。首先，是使用matlab/simulink搭建的三相交流電電源波形仿真模型及其Scope輸出的仿真波形圖。當(dāng)電源參數(shù)調(diào)整、負載電阻調(diào)整的時候，波形圖是符合歐姆定律發(fā)生變化的。如電源的頻率設(shè)置為50Hz時，根據(jù)公式T=1/f，得出周期為0．02s。讓學(xué)生充分理解這點，對后面對晶閘管觸發(fā)角改變得到不同輸出電壓的理解，顯得非常的重要。而且，這些參數(shù)均能讓學(xué)生調(diào)整并顯示出來，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題思考問題。其次，在了解三相交流電的電源波形及其負載特性之后，應(yīng)該為案例中AC-DC整流關(guān)鍵部件搭建一個性能仿真平臺，即晶閘管性能仿真模型。模型中AC峰值設(shè)置為220V，調(diào)整晶閘管的觸發(fā)方波，可以從Scope示波中觀測形圖。從波形圖來看，正好說明了晶閘管正常工作時的4個特性，即①當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。②當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。③晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。④若要使已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流下降接近于零的某一數(shù)值一下。讓學(xué)生了解這點，是至關(guān)重要的，它為后續(xù)的電橋整流、調(diào)壓等提供基礎(chǔ)。最后一個較關(guān)鍵的部件就是直流電機模型仿真，建立直流電機的性能仿真模型。從輸出的Scope波形圖來看，仿真輸出與直流電機轉(zhuǎn)速、電流、電磁轉(zhuǎn)矩以及勵磁電流的理論公式推導(dǎo)輸出是相符合的，這就加深了學(xué)生對直流電機公式的理解和熟悉。認識和理解直流電機的機械特性，為后續(xù)的直流電機調(diào)速控制起到至關(guān)重要的作用。

2．3開環(huán)控制測試分析在對直流電機閉環(huán)調(diào)速控制分析前，應(yīng)該讓學(xué)生了解直流電機的開環(huán)調(diào)速控制，搭建三相交流的simulink的DCMachine開環(huán)仿真模型。在這個simulink中有幾個關(guān)鍵點需要學(xué)生弄清楚，如三相交流的自然換相點、晶閘管門極控制的觸發(fā)順序、脈沖觸發(fā)時間的改變?nèi)绾斡绊戨妷弘娐返妮敵隽俊⒅绷麟姍C負載的改變是如何影響電機輸出速度和輸出力矩、逐一修改每個參數(shù)對輸出波形圖影響的定性和定量分析等關(guān)鍵點，只有當(dāng)學(xué)生在仿真學(xué)習(xí)中帶著問題把它弄清楚后，才能很好地對DCMachine進行閉環(huán)控制。

2．4閉環(huán)控制測試分析在對DCMachine進行了開環(huán)控制分析后，就可以搭建閉環(huán)控制模型了，如圖1所示。這里的關(guān)鍵點是對系統(tǒng)傳遞函數(shù)的理解、控制策略的分析。為了簡單、調(diào)試方便，圖1只是使用了比例控制，在實際的控制學(xué)習(xí)中，還可以增加控制策略，如PI、PD、PID等等，這些在仿真模型中都可以讓學(xué)生自行簡單修改模型和設(shè)置參數(shù)，思考修改參數(shù)后Scope輸出波形的變化情況，反復(fù)修改直到輸出滿足控制要求。在這個過程中，讓學(xué)生學(xué)會思考問題解決問題，學(xué)會思考如何把理想的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用到控制中解決問題;讓學(xué)生學(xué)會如何把控制器的輸出數(shù)值線性變化進行控制具體的物理變量，如圖1中的晶閘管觸發(fā)角α的變化。學(xué)生在應(yīng)用simulink調(diào)試的過程中，遇到某個物理量、某個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)等不太清楚時，可以方便建立Scope示波器觀測其變化規(guī)律和具體數(shù)值，如圖1中的Scope、Scope2、Scope3都起到這個作用。圖2是給定值為100、比例P為15、以及使用飽和截斷saturation等，得出波形圖。

3仿真結(jié)果與教學(xué)效果分析

本教學(xué)設(shè)計的案例是在使用比例控制、負載為輕載等條件下得到仿真波形，如圖2所示，從輸出的結(jié)果來看，符合控制要求。當(dāng)然，這是可以讓學(xué)生修改simulink模型，使用其他控制策略、使用不同電機、修改不同負載如重載荷或者交變載荷等情況，也就是說利用simulink的開放性多物理平臺建模仿真技術(shù)，能讓學(xué)生思考問題解決問題中理解和掌握知識。本案例已經(jīng)在我校機電專業(yè)兩個班的教學(xué)中作了一下嘗試，學(xué)生反映效果不錯，能夠起到串聯(lián)以前基礎(chǔ)課的重要知識點，能從系統(tǒng)的角度分析問題和解決問題。

4結(jié)語

這個典型的案例是由元器件及關(guān)鍵部件仿真—開環(huán)仿真—閉環(huán)仿真這條路線進行組織分析的，串聯(lián)了機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的電力電子器件、AC－DC整流、電機機械特性及拖動性能、機械工程控制基礎(chǔ)中的控制策略等知識點，涉及到電氣方程、機械方程、控制函數(shù)等應(yīng)用，屬于機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程中一個重要的案例。該案例在使用simulink的建模中是開放性的設(shè)計，可以讓學(xué)生自行修改參數(shù)和模型，也可以讓學(xué)生很方便地搭建Scope，測試任何他想要觀測的環(huán)節(jié)參數(shù)，反復(fù)修改及觀測，直到控制滿足設(shè)定要求。既使學(xué)生把基礎(chǔ)課程中學(xué)到的知識點加強理解和系統(tǒng)鞏固起來，同時又鍛煉學(xué)生在遇到問題時，思考問題解決問題的能力。本案例是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)改革中一個小小的嘗試和探索，降低課程仿真教學(xué)成本，對matlab/simulink開放性、混合型的建模思想引入課程仿真教學(xué)起到一個拋磚引玉的作用。

參考文獻:

［1］潘海鴻．機電一體化方向課程設(shè)計教學(xué)改革［J］．廣西大學(xué)學(xué)報，2008(9):24－25．

［2］仁遠．基于ADAMS與Simulink的機電一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真［J］．機電一體化，2009(6):31－34．

［3］張新星．基于仿真技術(shù)的機電一體化技術(shù)課程教學(xué)應(yīng)用研究［J］．時代農(nóng)機，2015(2):151－152．

［4］王紀坤．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2013．

［5］林飛．電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真［M］．北京:中國電力出版社，2013．

［6］張豐德．MATLAB/Simulink建模與仿真實例精講［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

［7］鄧星鐘．機電傳動控制(第三版)［M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001

作者：覃金昌 王為慶 單位：桂林航天工業(yè)學(xué)院 機械工程系