机电一体化系统案例仿真教学研究范文

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摘要:

把matlab/simulink仿真技术用于机电一体化系统课程教学研究，设计了课程中的一个典型案例来阐述simulink混合仿真技术的关键步骤和过程，使学生能把课程各知识点由易到难、由元部件到系统串联起来。结果表明，matlab/sim-ulink的跨物理平台、开放的混合建模仿真技术，适用于多学科相结合的机电一体化系统课程的教学研究，有助于学生对课程的理解，降低了教学成本。

关键词:

simulink;仿真建模;机电一体化系统;教学研究

“工业4．0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法，其包涵了智能工厂、智能生产、智能物流这三大主题。中国制造2025是国家实施制造强国战略的行动纲领，而智能制造又是引领中国制造走向高端的切入点。因此，这对与“智能制造”相关的高校课程教学改革既是一个机遇和方向，也是一个挑战，其中对机电一体化系统设计课程教学改革是不可忽视的。机电一体化系统是一门综合性、应用型很强的课程，它涉及的知识面广泛，包括了机械部分、电气部分、系统控制部分等，是智能制造中不可或缺的部分，对培养机电专业人才具有重要作用。目前，购买庞大的机电实验设备是一种不错的理论联系实践的教学方法，但资金投入较大，这对大多数高校是一个不小的负担。而仿真的引入能够弥补这方面的缺陷，又能提高学生对理论知识的理解。目前国际上科学运算与计算机仿真领域首选的计算机语言是matlab，与之配套的simulink仿真技术，并且它涵盖了数值计算与分析、信号处理、图像处理、通信、控制系统设计、测试测量等众多领域，为不同的物理系统混合仿真提供了新的有效的解决方案。因此，把matlab/simulink引入机电一体化系统设计教学改革，并选取合适的案例进行教学，是一种非常不错的解决方法。

1案例选取

机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称，是一门面向应用的技术，代表了机械产品的柔性化和智能化发展方向，因此，案例的选取也体现这一点。机电一体化系统设计为机械制造及自动化、机械电子工程等机械专业方向的必修专业主干课程，并且要求学生在学习本门课程之前需要进行《机械原理》《机械设计》《电路》《电力电子技术》《电机传动控制》《测试技术》《控制工程基础》《微机原理》《电气控制技术》等先修课程的学习。所以，把matlab/simulink仿真引入多学科融合的、理论与实践相结合的机电一体化系统是教学课程改革中的一个关键点，需要从课程中合理地选取案例，使之既能反映各部分知识点又能反映它们之间的系统联系。从不同的角度进行选取，在机电一体化系统设计这门课程中满足条件的案例是有很多的，其中电机控制作为机电一体化系统设计一直以来是一个重要的知识点。本文选取直流电机闭环调速控制作为案例进行分析，涉及《电路》《电力电子技术》《电机传动控制》《测试技术》《控制工程基础》《电气控制技术》等基础课程，包含有单相交流电、三相交流电、AC－DC整流、电桥、晶闸管特性、直流电机机械特性、开环控制、闭环控制等知识点。并且，用matlab/simulink仿真技术把这些知识点从简单到难串联起来，开放建模系统，这将有助于学生从系统的角度学习掌握机电一体化知识。

2案例仿真研究过程

在引入matlab/simulink的机电一体化系统设计课程仿真教学设计中，仿真思路是先从元器件的性能开始，然后简单开环控制，最后到闭环控制。这样使学生不仅能弄清楚各个元器件，还能分析整个系统。下面就是机电一体化系统设计课程中典型案例的matlab/simulink仿真建模设计的关键步骤。

2．1元器件选取在机电一体化系统设计的直流电机控制仿真典型案例中，所涉及的元器件模块有ACVoltageSource、Scope、Sum、Step、Constant、ParallelRLCBranch、DCMachine、CurrentMeasure-ment、VoltageMeasurement、MeanValue、Powergui、PIDControl-ler、Display、Synchronization6－PulseGenerator、Thyristor、Univer-salBridge、PulseGenerator、Terminator等主要模块。

2．2主要部件测试分析为了使学生不仅能学到系统知识，还需要让学生知道各个元器件的知识点，因此有必要设计元器件主要模块的分析模型。下面设计三相交流电、单相交流电整流、三相交流电整流、晶闸管原理模块、桥式整流模块，并进行必要说明，起到从元器件到简单系统的过渡作用。首先，是使用matlab/simulink搭建的三相交流电电源波形仿真模型及其Scope输出的仿真波形图。当电源参数调整、负载电阻调整的时候，波形图是符合欧姆定律发生变化的。如电源的频率设置为50Hz时，根据公式T=1/f，得出周期为0．02s。让学生充分理解这点，对后面对晶闸管触发角改变得到不同输出电压的理解，显得非常的重要。而且，这些参数均能让学生调整并显示出来，便于学生发现问题思考问题。其次，在了解三相交流电的电源波形及其负载特性之后，应该为案例中AC-DC整流关键部件搭建一个性能仿真平台，即晶闸管性能仿真模型。模型中AC峰值设置为220V，调整晶闸管的触发方波，可以从Scope示波中观测形图。从波形图来看，正好说明了晶闸管正常工作时的4个特性，即①当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。②当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。③晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。④若要使已经导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流下降接近于零的某一数值一下。让学生了解这点，是至关重要的，它为后续的电桥整流、调压等提供基础。最后一个较关键的部件就是直流电机模型仿真，建立直流电机的性能仿真模型。从输出的Scope波形图来看，仿真输出与直流电机转速、电流、电磁转矩以及励磁电流的理论公式推导输出是相符合的，这就加深了学生对直流电机公式的理解和熟悉。认识和理解直流电机的机械特性，为后续的直流电机调速控制起到至关重要的作用。

2．3开环控制测试分析在对直流电机闭环调速控制分析前，应该让学生了解直流电机的开环调速控制，搭建三相交流的simulink的DCMachine开环仿真模型。在这个simulink中有几个关键点需要学生弄清楚，如三相交流的自然换相点、晶闸管门极控制的触发顺序、脉冲触发时间的改变如何影响电压电路的输出量、直流电机负载的改变是如何影响电机输出速度和输出力矩、逐一修改每个参数对输出波形图影响的定性和定量分析等关键点，只有当学生在仿真学习中带着问题把它弄清楚后，才能很好地对DCMachine进行闭环控制。

2．4闭环控制测试分析在对DCMachine进行了开环控制分析后，就可以搭建闭环控制模型了，如图1所示。这里的关键点是对系统传递函数的理解、控制策略的分析。为了简单、调试方便，图1只是使用了比例控制，在实际的控制学习中，还可以增加控制策略，如PI、PD、PID等等，这些在仿真模型中都可以让学生自行简单修改模型和设置参数，思考修改参数后Scope输出波形的变化情况，反复修改直到输出满足控制要求。在这个过程中，让学生学会思考问题解决问题，学会思考如何把理想的数学模型。应用到控制中解决问题;让学生学会如何把控制器的输出数值线性变化进行控制具体的物理变量，如图1中的晶闸管触发角α的变化。学生在应用simulink调试的过程中，遇到某个物理量、某个环节的数据等不太清楚时，可以方便建立Scope示波器观测其变化规律和具体数值，如图1中的Scope、Scope2、Scope3都起到这个作用。图2是给定值为100、比例P为15、以及使用饱和截断saturation等，得出波形图。

3仿真结果与教学效果分析

本教学设计的案例是在使用比例控制、负载为轻载等条件下得到仿真波形，如图2所示，从输出的结果来看，符合控制要求。当然，这是可以让学生修改simulink模型，使用其他控制策略、使用不同电机、修改不同负载如重载荷或者交变载荷等情况，也就是说利用simulink的开放性多物理平台建模仿真技术，能让学生思考问题解决问题中理解和掌握知识。本案例已经在我校机电专业两个班的教学中作了一下尝试，学生反映效果不错，能够起到串联以前基础课的重要知识点，能从系统的角度分析问题和解决问题。

4结语

这个典型的案例是由元器件及关键部件仿真—开环仿真—闭环仿真这条路线进行组织分析的，串联了机电一体化系统设计的电力电子器件、AC－DC整流、电机机械特性及拖动性能、机械工程控制基础中的控制策略等知识点，涉及到电气方程、机械方程、控制函数等应用，属于机电一体化系统设计课程中一个重要的案例。该案例在使用simulink的建模中是开放性的设计，可以让学生自行修改参数和模型，也可以让学生很方便地搭建Scope，测试任何他想要观测的环节参数，反复修改及观测，直到控制满足设定要求。既使学生把基础课程中学到的知识点加强理解和系统巩固起来，同时又锻炼学生在遇到问题时，思考问题解决问题的能力。本案例是机电一体化系统设计课程教学改革中一个小小的尝试和探索，降低课程仿真教学成本，对matlab/simulink开放性、混合型的建模思想引入课程仿真教学起到一个抛砖引玉的作用。

参考文献:

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作者：覃金昌 王为庆 单位：桂林航天工业学院 机械工程系