虚拟仿真技术在直流拖动自动控制系统中的应用_孙浩.pdf

Application 创新应用322 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月的积极意义。1 研究背景传统理论教学模式现状。（1）教学形式老旧。目前，课堂理论教学仍然多以教师讲授、学生被动听课为主，即使有师生互动，多以课堂提问的方式出现。而面对本科生课堂60人以上的情况，这种提问的方式也远远不能满足互动教学的需求。这种情况下，往往是以教师的“教”为中心的，常常忽略了学生是学习的主体这一重要因素。学生也是一种重要的课程资源，需要教师转变传统的思维方式，真正做到以学生为中心。让学生获得更加强烈的课堂参与感，从而为枯燥无味的理论教学带来更大的生机。（2）教学内容困难不易理解。理论教学往往伴随着晦涩难懂的数学符号、数学公式。而直流拖动控制系统作为一门控制系统综合设计类课程，不但需要对自动控制理论掌握充分，而且需要与其他多门学科交叉融合，同时需要考虑工程实现问题，做到理论与实践相结合，给出一种既符合理论又能够适用于工程实践的系统设计方法。现代学生多以考试为中心，缺乏动手实践能力，不能做到多门课程的融会贯通，往往是学完一门课程忘记一门课程。而本课程恰恰是一门综合性极强的系统设0 引言直流拖动自动控制系统是自动化专业学生的专业必修课，此课程为一门综合性很强的设计类理论课程。在学习本课程前需要对电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科有系统的学习。这就要求学生在学习本课程前具有较为扎实的控制系统相关的知识。正是对于先导知识的严格要求，导致本课程的教学难度大幅上升，大部分学生反映本门课程难度较大，这就为此课程的教学带来很大的挑战。为解决上述问题，急需一种新的教学方法来使抽象的理论学习转变为更加具象化的感性认知，此问题已成为越来越多的学者研究的热点问题1-3。虚拟仿真技术以其独特的优势正越来越多地应用到理论教学当中4-7。虚拟仿真技术不需要实验设备以及相关的实验耗材，即可模拟真实的实验过程，具有安全、高效、易理解的、高可重复的特点8-14。仿真过程不但能够观察到实验结果，而且能够直观展现实际实验所不能反映的特殊细节。因此，基于以上考虑，在充分发掘虚拟仿真技术优势的基础上，探讨该技术与直流拖动自动控制系统理论教学相结合的途径，对于提高本课程的教学效果，具有较大基金项目：燕山大学教学研究与改革项目（2021XJJG090）。作者简介：孙浩，燕山大学电气工程学院，讲师，博士；研究方向：进化计算。收稿日期：2022-10-28；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述在直流拖动自动控制系统课程教学中应用Matlab的虚拟仿真平台。探讨虚拟仿真平台的设计，在理论教学中的虚拟仿真实施过程，课程教学的评估。关键词：虚拟仿真技术，自动控制系统，Matlab，教学评估。中图分类号：TP273-4文章编号：1000-0755(2023)06-0322-03文献引用格式：孙浩，呼子宇，车海军.虚拟仿真技术在直流拖动自动控制系统中的应用J.电子技术,2023,52(06):322-324.虚拟仿真技术在直流拖动自动控制系统中的应用孙浩，呼子宇，车海军（燕山大学 电气工程学院，河北 066004）Abstract This paper expounds the application of Matlabs virtual simulation platform in the teaching of DC drag automatic control system courses.Explore the design of virtual simulation platforms,the implementation process of virtual simulation in theoretical teaching,and the evaluation of course teaching.Index Terms virtual simulation technology,automatic control system,Matlab,teaching evaluation.Application of Virtual Simulation Technology in DC Drive Automatic Control SystemSUN Hao,HU Ziyu,CHE Haijun(School of Electrical Engineering,Yanshan University,Hebei 066004,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 323计类课程，这种多门学科的结合也就是本门课程的重点难点，学生们往往很难掌握。（3）教师队伍缺乏工程经验。目前，大多数年轻教师均是博士毕业后直接进入高校工作。在博士期间大多数都是在进行理论研究，很少有工程实践经验。普遍存在重基础理论，轻实践应用与实践技能，以及实践能力较低的不足。而本门课程是一个典型的以理论为基础的工程类系统设计课程，需要融合不同课程的理论知识，并结合工程实践，才能突出课程实质。与上述情况相对的是，新教师虽然有深厚的理论基础，但是对于工程实践知之甚少，很难对课程的实质有很深的把握，导致难以将枯燥理论与实际工程相结合，不能将课程教学讲透，课堂气氛压抑，影响学习效果。2 虚拟仿真技术与直流拖动自动控制系统课程教学当前，线上课程及虚拟仿真技术在各个高校得到极大的推广和应用。虚拟仿真技术能够带来更加直观的教学体验，特别是针对枯燥无味的理论教学，更加能够使理论形象化，从而加深学生们的印象。打破传统教学中时间、空间及实验设备的限制，促进学生多学科、多知识点融会贯通的能力。虚拟仿真技术越来越多地成为教师得力的教学工具，调动学生参加课堂教学的积极性和主动性。为满足我国建立创新型人才培养制度，提高国家竞争力，高校需要培养具有创新能力和实践能力的复合型人才。特别是在新时代高等教育内涵式发展背景下，对于提升现代大学生的创新精神、实践能力和社会责任感有着非常重要的作用，是培养卓越人才的重要举措，是中国高等教育人才培养推进“智能+教育”的积极探索，是推动人才培养质量提升的生产力，对高等教育发展具有重要的全局性意义。3 虚拟仿真平台的设计平台选择。为快速进行平台搭建与部署，使学生能够快速灵活地进行仿真实验，并且使平台具有较大通用性，选择基于Matlab的通用虚拟仿真平台。Matlab主要用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人，控制系统等众多领域，采用其中的Simulink作为主要使用的模块。整体模块设计。根据教学安排，本门课程的工程目标是设计一种直流电机自动控制系统，此系统能够满足各类工业场合静、动态的工艺要求。围绕此次问题进行展开，（1）通过分析直流电机的特点确定采用改变直流电机电枢电压的方式改变其转速，进而引出两种常用的直流电源，即晶闸管整流器与PWM变换器共同构成直流电机转速开环的控制系统；（2）由工艺的静态性能要求，引出开环系统静差率与调速范围相矛盾的问题，进而对原有开环系统进行改造构成转速单闭环的直流电机调速系统；（3）由工艺允许的超调量、调节时间等动态性能要求，引出转速单闭环系统所存在的问题，进而引出“准时间最优控制”的转速、电流双闭环直流电机调速系统。依据上述层层递进的教学思路，虚拟仿真模块同样分为三大部分，每一部分对应着本门课程的一个阶段性工程设计目标。即直流电机开环控制系统的虚拟仿真、转速单闭环控制系统的虚拟仿真和转速、电流双闭环控制系统的虚拟仿真三大模块。每个模块还会再细分为不同的小模块，共同支撑每一部分仿真工程的最终实现。4 实施过程分析具体的实施过程以直流电机开环控制系统的虚拟仿真模块为例进行详解。为了调节直流电动机的转速，需要连续平滑且方便的调节电枢两端的电压，为此需要设计一种直流电源来完成以上目标。由此引出一种电力电子技术中的三相桥式整流器，此整流器可以将三相交流电整流为直流电，且可以通过调节三相桥式整流器的延时触发角大小，方便的改变整流后的直流电压，这样就能够满足上述的技术要求。为直观的分析此整流器的工作原理、控制过程及存在的问题，采用Simulink对此整流器进行虚拟建模。为便于理解与分析，模型采用单向全控桥电路，如图1所示，其中模拟了交流电延时触发装置，单向全桥电路，采用电阻、电感与反电动图1 单相全桥整流器仿真模型 Application 创新应用324 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月势模拟电机负载。通过调节负载的电阻、电感与反电动势，或调节延时触发角度来模拟电路在不同条件下的工作状态，且可以通过示波器查看任何时刻任何回路的瞬时电压、电流，平均电压电流的波形图。为分析其工作原理及存在的电流断续问题提供更加直观的感受。在课堂教学过程中，为使同学对此动态过程的原理、存在的问题及解决方案有更加直观深刻的理解。首先对此模型的建模过程进行简单讲解；然后，通过对相同负载下，不同延时触发角对应的不同电压、电流波形进行分析，了解延时触发角的机理作用；其次，在相同延时触发角条件下，由同学指定负载条件，其他同学预测波形情况的方式，使其他同学参与到课堂教学当中；最后，以小组的形式，将仿真模型的分析作为课下讨论作业，讨论不同触发及负载条件下，电压、电流的波形情况，指出对于直流电机调速系统来说，还存在何种问题，并给出合理的解决方案。将虚拟仿真模型与课程理论基础的结合互动，使学生在充分理解理论知识的基础上，能够更加灵活的运用所学知识。一方面，在课堂上教师通过建模演示讲解、提问与讨论的方法使学生充分理解；另一方面，作为课下作业，学生自行对此整流器进行建模仿真，并模拟其他负载在不同条件下运行结果，并试着分析其原因。例如，当负载只有电阻时，电压瞬时波形就会有很大的不同；当反电动势设置的很大时，也会对模拟结果有很大的影响。这些都需要学生在课下时通过虚拟仿真模型进行仿真运行，并给出合理的解释。通过上述方法，使虚拟仿真实验项目贯穿于课上教学与课下作业，不但有利于学生课上对于理论知识的理解，而且有利于学生发挥主观自觉性，主动探索或分析系统的工作原理及所产生结果的原因，加深对知识点的理解。5 课程教学的评估在具体的教学过程中，仍然存在一定的问题。例如课程中用于展示虚拟仿真项目与理论讲解之间时间分配的问题，有时会顾此失彼；学生课下遇到问题有时会不知如何下手，缺乏自主性，需要学生结合具体问题，利用课本、网络等途径，解决遇到的问题。结合作者的经验，对于如何更好地开展虚拟仿真技术来辅助理论教学提出以下几点思考：（1）利用虚拟仿真技术的可重复性，使学生能够反复观察实验过程，加深对于理论知识的理解。（2）利用虚拟仿真技术的交互性，使学生能够随意改变实验环境，增加趣味性与探索性，达到一定的实践锻炼的效果。（3）利用虚拟仿真技术的方便性，使学生能够随时随地进行仿真实验，不再局限于课上，甚至不再局限于校内，有问题随时可以通过仿真实验来加以验证。6 结语虚拟仿真技术已经在本科教学中发挥了越来越重要的作用，特别是在某些实验设备短缺或者实验条件较为苛刻的情况下，更加能够发挥其独特的优势，具有更强的应用前景。但是在应用过程中，不可避免遇到各种各样的问题。因此，只有不断发掘与完善相关教学方法，才能够使虚拟仿真技术发挥更大的优势，成为学生成长的一大助力。参考文献1 贺文俊,欧阳名钊,王洋等.基于虚拟仿真的“物理光学”混合式教学模式探索J.教育教学论坛,2022(35):145-148.2 赵红泽,孙振明,闫宁等.疫情背景下虚拟仿真教学在采矿工程中的应用模式研究J.高教学刊,2022,8(24):89-93.3 张东海,高蓬辉,王义江等.深部地下空间热湿环境调控虚拟仿真实验教学系统的构建J.高等建筑教育,2022,31(04):191-199.4 滕昇.电子技术课程中的虚拟仿真技术应用J.电子技术,2022,51(08):270-271.5 韩静,叶剑春.虚拟仿真技术在“模拟电子技术”课程中的应用与实践J.山西能源学院学报,2020,33(05):51-52.6 张小于.混合式教学模式下虚拟仿真技术在单片机课程中的实践探究J.宁夏教育,2022(Z2):136-137.7 宋雅嵚,何培玲,潘金龙等.虚拟仿真技术在课堂教学中的应用初探J.石家庄职业技术学院学报,2020,32(04):78-80.8 林徐润,段虎.虚拟仿真技术在高职实训教学中的应用J.深圳信息职业技术学院学报,2012,10(02):21-25.9 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