加強電力拖動控制實踐教學培養新工科學生創新能力

發布時間：2019-12-27所屬分類：教育論文瀏覽：1285次

摘 要： 摘 要：為了培養自動化學生的新工科思維，以學生實踐及設計中運動載體轉速快速無靜差控制為專題，基于理論教學，推導反饋控制數學模型，繼而采用教學實驗設備和仿真軟件引導學生突破教學重點和難點，最后學生參與課外訓練和科研活動，拓展和延伸教學內容。基

　　摘 要：為了培養自動化學生的新工科思維，以學生實踐及設計中運動載體轉速快速無靜差控制為專題，基于理論教學，推導反饋控制數學模型，繼而采用教學實驗設備和仿真軟件引導學生突破教學重點和難點，最后學生參與課外訓練和科研活動，拓展和延伸教學內容。基于課程中電機轉速調節控制專題，設計從理論— 實驗—訓練遞進型的教學內容，融合繁瑣的理論教學與生動的實踐教學為一體，以電力拖動控制為載體培養新工科學生分析問題和解決問題的能力。

　　關鍵詞：新工科建設;電力拖動控制;反饋控制;創新能力

　　為了深化工程教育改革，建設工程教育強國，教育部于2017年2月提出開展新工科研究與實踐[1]。創新型人才培養作為工科優勢高校的重要任務，能夠提質升級制造業水平并推動中國制造向中高端發展[2]。結合我院自動化專業學生的培養目標，明確要求具有較強的創新意識和工程實踐能力，能夠解決生產、生活中復雜的控制工程問題[3]。電力拖動控制作為自動化系的專業骨干課，其控制對象———電機被廣泛應用于制造業及高新技術產業的各個環節，對其進行新工科背景下的教學實踐創新具有重要意義[4]，具體實踐環節及教學內容如圖1所示。本文在專題知識理論模型講授的同時，重點加強學生在實驗教學以及科技活動等方面的訓練，讓學生掌握理論知識的同時能夠靈活地運用。

　　1 調速理論教學

　　以學生課外實踐及科研訓練中接觸的智能小車作為運動載體，其主要由傳感器、電機驅動及控制載體3部分組成[5]。通過傳感器測量參數由電機驅動器對運動載體進行調速控制，其中核心內容為調速控制算法(見圖2)。電動機調速性能是電力拖動控制系統的一個重要指標，可以把電力拖動控制系統簡化為電動機-負載的基本模型通過改變電磁轉矩和負載轉矩，達到調節電動機轉速以及運動載體速度的目的[6-7]。對運動載體進行調速控制，課堂理論講授重點在于解決2個問題：(1)如何使轉速控制器能夠快速響應，即快速響應性?(2)如何使轉速控制器能無靜差調速，即無靜差調速?

　　首先對運動載體引入比例控制器，根據運動基本方程突加負載轉速下降，轉速下降使得反饋電壓下降，在給定電壓不變的情況下比較電壓增加，通過比例控制器增大控制電壓進一步增大電樞電壓，基于電樞回路平衡方程轉速上升[8]。轉速上升使得反饋電壓增加，比較電壓、控制電壓和電樞電壓下降，在Δn =0或者ΔUn =0時，則Uc =KpΔUn =0，且n=0。比例控制器由于轉速降落差使得調速系統具有一定的控制電壓，但是單純采用比例控制器無法實現運動載體無靜差調速。因此，對運動載體引入積分控制器，根據運動基本方程突加負載轉速下降，轉速下降使得反饋電壓下降，在給定電壓不變的情況下比較電壓增加，通過積分控制器增大控制電壓進一步增大電樞電壓，基于電樞回路平衡方程轉速上升，轉速上升使得反饋電壓增加而比較電壓下降，由于積分作用是t區間所圍的面積使得控制電壓和電樞電壓上升，在 Δn =0或者 ΔUn =0時積分控制器， 因此，積分控制器即使穩態時轉速降落差為零，其控制電壓仍然具有一定的數值，但是單純采用積分控制器無法做到快速響應。最后，融合比例和積分控制器，構建一個 比 例 積 分 控 制 器，如 圖 3 所 示。 負 載 增 加 轉速n變化，同單純比例和單純積分控制器一樣轉速先下降再上升，但是 PI控制器輸出為比例控制器和積分控制器疊加作用效果，最終轉速n達到新的穩態，在保證調速系統較快響應的同時能夠實現穩態無靜差。

　　2 實驗仿真教學

　　為了能夠更加直觀形象地認知運動載體轉速 PI控制對調速性能的影響，在杭州力控科技有限 公 司HKKK-1型電力電子及電機拖動與運動控制實驗裝置上，指 導 學 生 搭 建 轉 速 PI控 制 直 流 調 速，如 圖 4所示。

　　轉速閉環實驗結果與轉速開環相比較，轉速開環時當增大給定電壓導致電樞電壓增加，使轉速上升并穩定在1200rpm，通過減少負載電阻來增大負載電流，從而增加負載轉矩，轉速下降并最終到900rpm，說明在負載擾動下開環系統存在轉速降落差;增加轉速反饋控制構成轉速閉環 PI控制系統，同樣在轉速1200rpm 時減少負載電阻增加負載轉矩，發現轉速基本穩定在1200rpm，說明在負載擾動下閉環 PI控制系統能夠使轉速穩定，如圖5所示。

　　利用仿真軟件搭建轉速反饋電機調速 PI控制系統，仿真實驗系統主要由電壓給定模塊、PI控制模塊、轉速反饋模塊以及電壓比較模塊等組成，如圖6所示。通過實驗和仿真進一步驗證了前述的理論分析和設計，發現其轉速在較短的調節時間到達穩定的轉速，如圖7所示。轉速控制器主要有3種方式：比例調節、積分調節及比例積分。比例控制器取決于輸入偏差現狀，積分控制器包含輸入偏差全部歷史，其調節的實質在于：(1)比例控制器能夠快速響應;積分控制器只能逐漸變化;(2)比例控制器為有靜差調速;積分控制器為無靜差調速;(3)采用比例積分控制器，能夠快速響應，其穩態精度高。

　　3 課外拓展訓練

　　本文主要講述 PI調節直流調速控制，直流電機目前在學生競賽、科技作品中廣泛使用，圖8為學生采用步進電機來控制一個滾球系統。先用攝像頭檢測出滾球的當前位置，與預期滾球的位置進行比較，得出位置偏差送給PID1控制器，然后將輸出值作為平板期望的輸出角度值，與角度傳感器測量的當前值進行比較，得出角度偏差送給PID2控制器，輸出值用來控制電機，電機轉動使得平板的角度和滾球的位置發生移動，直至滾球進入指定區域位置，即最終滾球輸出為準確位置信息。采用以下步驟：(1)調速控制器結構采用 PID串級控制;(2)參數整定先比例，再積分、后微分;(3)攝像頭檢測滾球位置與預設位置偏差給 PID1，與角度傳感器測量當前值偏差給PID2控制器，來控制電機的運動。

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　　學生參與教師相關科研項目時需要電力拖動控制知識，包括機器人尋跡控制、機器人融合定位以及機器人地圖構建等科研活動，需要對機器人的航向、速度和位置進行精確控制，通過傳感器測量機器人的航向角、速度和位置參數，作為反饋值傳輸到控制器來實時調整輸入信號的幅值，采用電動機控制機器人沿著規劃好的路徑運動到預定位置[9-10]�；诶碚摻虒W結合實驗教學，通過課外拓展訓練幫助學生在電力拖動 PI控制專題進行體驗式學習，從而促進理論理解與實際運用能力的提升，培養新工科學生解決實際問題的能力和創新能力[11-12]。

　　4 結語

　　本文針對電力拖動控制 PI專題的教學設計，以學生接觸的智能小車作為運動載體，設計了一條從問題引入—理論教學—實驗教學—拓展訓練的主線，注重理論與實踐相結合并逐步推進，激發學生的學習興趣，提高電力拖動控制的教學效果，讓學生在具體的工程實踐中掌握重點難點等相關知識，同時培養了新工科學生利用所學知識進行電力拖動控制的應用能力，使得學生能夠認識到自動化專業今后在工業物聯網或智能制造中就業和深造的重要性。作為一名高等院校的教師，要踐行立德樹人的使命，在立足課堂講好“一門課”這一系統工程的同時，做到教學與科研融合，通過自己的努力幫助學生成為更好的自己。

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