MATLAB仿真在电气专业重点学科中辅助教学的探究

胡娜 刘德红 陈媛 徐良雄

摘 要：高校工科类专业大都设置专业实践环节，其教学目的是通过课程设计、实验等环节加强理论和实践的结合，使学生掌握原理分析电路设计、参数计算、器件选择及特性研究的基本要求和方法。然而，由于场地和设备的限制，电气专业重点学科难以设置实践环节，计算机仿真技术很容易与先进的教学方法相结合，本文将MATLAB仿真教学结合电气专业重点学科，提出设计的基本要求和过程，让学生掌握更多的技能，达到更好的教学效果。

关键词：课程设计 计算机仿真 教学效果

1 引言

随着科学技术的迅速发展，现代电气学科综合交叉的特点越来越明显。加强专业知识教育、创新意识培养、动手能力训练和综合素质培养，已经成为电气学科人才培养的基本要求，也是当代电气学科高等教育的核心内容。

本文将虚拟仿真技术引入到电气专业的重点课程——《过程控制系统》、《电力系统分析》及《控制系统仿真技术》的理论教学和实验教学中，对这三门重点课程进行分析，尤其对于《过程控制系统》设计出主要的教学情境及教学方法，结合具体的教学过程与教学效果，得出比较合理的教学方案[1，2]。

2 MATLAB仿真在《过程控制系统》课程教学中的应用

目前对《过程控制系统》的教学改革在逐步进行，不断加强实践和理论相结合，不仅要求学生在课堂上学好基础知识，而且提倡学生丰富自己的实际动手能力，增强对理论知识的理解。

《过程控制系统》的实践环节各个学校不尽相同，比较有代表性的题目有“双闭环V-M调速系统设计”，“双闭环PWM-M调速系统设计”，“异步电动机变压变频调速系统设计”等，基于实验教学平台的实践就是将实验设备模拟成工业设备，将课程设计作为工程设计，在设计室要完成电路设计、系统建模、系统参数的计算、元器件选择、动静态特性分析、设计说明、设计小结等任务;要完成电路组成、参数测定、系统仿真调试和故障诊断等任务。

现在以“双闭环V-M调速系统”为课程设计课题说明设计的过程及其要求。

2.1 电路设计及电路绘制

结合电流、转速双闭环系统，完成V-M系统主电路、驱动电路及保护电路，完成电流、转速闭环控制电路，并应用电气CAD完成电路的绘制。

电路设计应满足设计指标的要求，绘图应满足GB4728，这一环节不仅让学生具有基本的设计能力，同时强化学生应用电气CAD计算机绘制的能力。

2.2 系统参数测定

为了构建系统的数学模型进行特性分析，必须应用实验教学平台对实际V-M系统进行参数测定，测定的参数主要有电枢回路总电阻RΣ（其中包括整流装置的内阻RN，电抗器电阻RL，电动机的电枢电阻Ra等）、电动机的电磁系数Ce，电枢回路电磁时间常数TL，系统机电时间常数Tm，电流反馈系数β，转速反馈系数α，负载的转动惯量GD2等。应用实验教学平台测定参数时，要电路及测定方式正确，每一个参数要测定3次，取平均值为测定结果，所有测定仪器仪表，与记录仪要有合理的精度。

2.3 系统建模与工程设计

根据系统已知的参数和测定的参数，可以方便地建立系统的静态模型和动态模型，为了确保系统具有良好的特性，并克服系统动静态的矛盾，通常采用PI调节器进行串联校正。

要求应用工程设计方法进行最佳系统设计，通常电流环ACR采用典型I型系统，保证其具有良好地跟随性。转速还ASR采用典型Ⅱ型系统，保证其有良好的抗干扰性，最终要完成调节器ACR、ASR的参数计算。通过系统建模与校正，学生掌握系统分析的基本方法和改善系统性能的基本方法，充分理解如何应用控制理论法解决实际系统的问题。

2.4 系統仿真及参数修改[3，4]

采用双闭环控制的V-M系统，采用工程设计是在一定的条件下得到的，如果用MATLAB仿真软件进行仿真，并根据MATLAB仿真结果对设计参数进行必要的修改和调整，以达到设计课题的要求。

在按工程设计方法设计电流环时，暂不考虑反电动势变化的影响，在电流环的仿真模型中，可以把反电动势的影响考虑进去，这样可以得到更真实的仿真结果。通过观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势，可以获取符合工程要求的更合理参数。利用转速仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进行仿真，它是任何负载电流IdL的输入端加上负载电流，获得在空载稳定运行时突加额定负载的转速与电流响应曲线。

通过MATLAB仿真，可以灵活修改调节器的参数，直到系统得到满意的结果。

2.5 运行分析

根据MATLAB仿真结果完成参数修改以后的系统，在实验平台上进行实际运行，通过仪器仪表和记录仪测取系统的动静态参数，综合比较其性能指标，给出运行分析结果。

2.6 撰写设计说明

在完成上述各环节任务后，可以结合设计要求完成设计说明的撰写，详细说明整个课程设计的思路、步骤、计算、仿真的结果及运行分析，最后进行设计小结谈自己的实际体会、收获和存在改进的问题。

3 MATLAB仿真在《电力系统分析》课程教学中的应用

电力系统分析仿真是将整个电力系统看作由母线、变压器和输电线路所构成的有源电力网络，该数学模型成为计算和研究电力系统潮流、短路和稳定问题的基础。

如果用真实的电网来检验，不现实，而单纯进行手动计算，花费时间太多，教学效率极低。利用MATLAB仿真电力网络时，电力网络可以用节点方程式或回路方程式表示出来。在节点方程式中表示网络状态的变量是各节点的电压，在回路方程式中是各回路中的回路电流。在进行短路故障计算时，MATLAB仿真可以根据需要对不同处的电压和电流进行计算。潮流计算时，需要建立电力系统网络以及导纳型节点方程表示的数学模型，将节点流入电流用功率和电压表示，求解之前，根据系统的实际运行条件将节点分为PQ节点、PU节点、平衡节点，平衡节点只设一个。引入定解条件后，便得到潮流计算用的一组非线性方程。MATLAB仿真的引入，不仅有利于探究型课堂的开展，也有利于学生计算机实践能力的提高，实现“教、学、做”一体化教学设计。

4 MATLAB仿真在《控制系统仿真技术》课程教学中的应用

对于《控制系统仿真技术》常用的仿真软件为MATLAB/SIMULINK，SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速度的系统仿真。将MATLAB仿真软件引用到课堂教学中去，首先建立控制系统模型，然后在控制系统模型的基础上，根据系统的特点设计出相应的参数，并参照要求不断优化系统。

5 结论

在组织教学内容时，结合学生特点、本专业最新技术和企业需求，借助MATLAB虚拟仿真技术，设计出最适合的教学情境，在最大化的节约教学硬件设备的基础上，将计算机仿真技术应用于电气专业的重点学科的教学中，创造出适合不同课程的虚拟仿真环境，从而实现教学方法有机融合，提高教学效果。

基金项目：武汉科技大学城市学院2018教学研究项目《计算机仿真技术辅助教学的改革与实践》（项目编号：2018CYYBJY026）。

参考文献：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社，2003.8.

[2]徐鹏.电气自动化控制方式的研究[R].科技广场，2009.7.

[3]刘海龙.浅谈电气自动化的现状与发展方向[J].黑龙江科技信息，2010.6.

[4]郭红生.电气自动化工程系统的现状及其发展趋势[J].科技创业月刊，2011，12：115-117.

[5]胡娜，蔡晓燕，陈三宝.基于实验教学平台的课程设计方法研究与探讨[J].中国教育创新与实践，2015.7.