加強(qiáng)電力拖動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)新工科學(xué)生創(chuàng)新能力

發(fā)布時(shí)間：2019-12-27所屬分類：教育論文瀏覽：1290次

摘 要： 摘 要：為了培養(yǎng)自動(dòng)化學(xué)生的新工科思維，以學(xué)生實(shí)踐及設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)載體轉(zhuǎn)速快速無靜差控制為專題，基于理論教學(xué)，推導(dǎo)反饋控制數(shù)學(xué)模型，繼而采用教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和仿真軟件引導(dǎo)學(xué)生突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，最后學(xué)生參與課外訓(xùn)練和科研活動(dòng)，拓展和延伸教學(xué)內(nèi)容。基

　　摘 要：為了培養(yǎng)自動(dòng)化學(xué)生的新工科思維，以學(xué)生實(shí)踐及設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)載體轉(zhuǎn)速快速無靜差控制為專題，基于理論教學(xué)，推導(dǎo)反饋控制數(shù)學(xué)模型，繼而采用教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和仿真軟件引導(dǎo)學(xué)生突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，最后學(xué)生參與課外訓(xùn)練和科研活動(dòng)，拓展和延伸教學(xué)內(nèi)容。基于課程中電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制專題，設(shè)計(jì)從理論— 實(shí)驗(yàn)—訓(xùn)練遞進(jìn)型的教學(xué)內(nèi)容，融合繁瑣的理論教學(xué)與生動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)為一體，以電力拖動(dòng)控制為載體培養(yǎng)新工科學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

　　關(guān)鍵詞：新工科建設(shè);電力拖動(dòng)控制;反饋控制;創(chuàng)新能力

　　為了深化工程教育改革，建設(shè)工程教育強(qiáng)國，教育部于2017年2月提出開展新工科研究與實(shí)踐[1]。創(chuàng)新型人才培養(yǎng)作為工科優(yōu)勢(shì)高校的重要任務(wù)，能夠提質(zhì)升級(jí)制造業(yè)水平并推動(dòng)中國制造向中高端發(fā)展[2]。結(jié)合我院自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，明確要求具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力，能夠解決生產(chǎn)、生活中復(fù)雜的控制工程問題[3]。電力拖動(dòng)控制作為自動(dòng)化系的專業(yè)骨干課，其控制對(duì)象———電機(jī)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行新工科背景下的教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新具有重要意義[4]，具體實(shí)踐環(huán)節(jié)及教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。本文在專題知識(shí)理論模型講授的同時(shí)，重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及科技活動(dòng)等方面的訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握理論知識(shí)的同時(shí)能夠靈活地運(yùn)用。

　　1 調(diào)速理論教學(xué)

　　以學(xué)生課外實(shí)踐及科研訓(xùn)練中接觸的智能小車作為運(yùn)動(dòng)載體，其主要由傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制載體3部分組成[5]。通過傳感器測(cè)量參數(shù)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行調(diào)速控制，其中核心內(nèi)容為調(diào)速控制算法(見圖2)。電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能是電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，可以把電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為電動(dòng)機(jī)-負(fù)載的基本模型通過改變電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及運(yùn)動(dòng)載體速度的目的[6-7]。對(duì)運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行調(diào)速控制，課堂理論講授重點(diǎn)在于解決2個(gè)問題：(1)如何使轉(zhuǎn)速控制器能夠快速響應(yīng)，即快速響應(yīng)性?(2)如何使轉(zhuǎn)速控制器能無靜差調(diào)速，即無靜差調(diào)速?

　　首先對(duì)運(yùn)動(dòng)載體引入比例控制器，根據(jù)運(yùn)動(dòng)基本方程突加負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)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(jìn)一步增大電樞電壓，基于電樞回路平衡方程轉(zhuǎn)速上升[8]。轉(zhuǎn)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(shí)，則Uc =KpΔUn =0，且n=0。比例控制器由于轉(zhuǎn)速降落差使得調(diào)速系統(tǒng)具有一定的控制電壓，但是單純采用比例控制器無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體無靜差調(diào)速。因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)載體引入積分控制器，根據(jù)運(yùn)動(dòng)基本方程突加負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)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(jìn)一步增大電樞電壓，基于電樞回路平衡方程轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)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(qū)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(shí)積分控制器， 因此，積分控制器即使穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速降落差為零，其控制電壓仍然具有一定的數(shù)值，但是單純采用積分控制器無法做到快速響應(yīng)。最后，融合比例和積分控制器，構(gòu)建一個(gè) 比 例 積 分 控 制 器，如 圖 3 所 示。 負(fù) 載 增 加 轉(zhuǎn)速n變化，同單純比例和單純積分控制器一樣轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速n達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，在保證調(diào)速系統(tǒng)較快響應(yīng)的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。

　　2 實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)

　　為了能夠更加直觀形象地認(rèn)知運(yùn)動(dòng)載體轉(zhuǎn)速 PI控制對(duì)調(diào)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(jī)拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置上，指 導(dǎo) 學(xué) 生 搭 建 轉(zhuǎn) 速 PI控 制 直 流 調(diào) 速，如 圖 4所示。

　　轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與轉(zhuǎn)速開環(huán)相比較，轉(zhuǎn)速開環(huán)時(shí)當(dāng)增大給定電壓導(dǎo)致電樞電壓增加，使轉(zhuǎn)速上升并穩(wěn)定在1200rpm，通過減少負(fù)載電阻來增大負(fù)載電流，從而增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降并最終到900rpm，說明在負(fù)載擾動(dòng)下開環(huán)系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)速降落差;增加轉(zhuǎn)速反饋控制構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán) PI控制系統(tǒng)，同樣在轉(zhuǎn)速1200rpm 時(shí)減少負(fù)載電阻增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在1200rpm，說明在負(fù)載擾動(dòng)下閉環(huán) PI控制系統(tǒng)能夠使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，如圖5所示。

　　利用仿真軟件搭建轉(zhuǎn)速反饋電機(jī)調(diào)速 PI控制系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由電壓給定模塊、PI控制模塊、轉(zhuǎn)速反饋模塊以及電壓比較模塊等組成，如圖6所示。通過實(shí)驗(yàn)和仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了前述的理論分析和設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速在較短的調(diào)節(jié)時(shí)間到達(dá)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，如圖7所示。轉(zhuǎn)速控制器主要有3種方式：比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)及比例積分。比例控制器取決于輸入偏差現(xiàn)狀，積分控制器包含輸入偏差全部歷史，其調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)在于：(1)比例控制器能夠快速響應(yīng);積分控制器只能逐漸變化;(2)比例控制器為有靜差調(diào)速;積分控制器為無靜差調(diào)速;(3)采用比例積分控制器，能夠快速響應(yīng)，其穩(wěn)態(tài)精度高。

　　3 課外拓展訓(xùn)練

　　本文主要講述 PI調(diào)節(jié)直流調(diào)速控制，直流電機(jī)目前在學(xué)生競(jìng)賽、科技作品中廣泛使用，圖8為學(xué)生采用步進(jìn)電機(jī)來控制一個(gè)滾球系統(tǒng)。先用攝像頭檢測(cè)出滾球的當(dāng)前位置，與預(yù)期滾球的位置進(jìn)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(cè)量的當(dāng)前值進(jìn)行比較，得出角度偏差送給PID2控制器，輸出值用來控制電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得平板的角度和滾球的位置發(fā)生移動(dòng)，直至滾球進(jìn)入指定區(qū)域位置，即最終滾球輸出為準(zhǔn)確位置信息。采用以下步驟：(1)調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)采用 PID串級(jí)控制;(2)參數(shù)整定先比例，再積分、后微分;(3)攝像頭檢測(cè)滾球位置與預(yù)設(shè)位置偏差給 PID1，與角度傳感器測(cè)量當(dāng)前值偏差給PID2控制器，來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

　　相關(guān)論文推薦：《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》雜志是面向全國各級(jí)各類高等學(xué)校的綜合技術(shù)性期刊。1963年創(chuàng)刊，由教育部主管，清華大學(xué)主辦。月刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。主要欄目：特約專欄、實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用、儀器設(shè)備研制與應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革、實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)、現(xiàn)代教育技術(shù)、職業(yè)技術(shù)教育、資產(chǎn)管理、產(chǎn)品信息等。有想投稿的，可以直接與期刊天空在線編輯聯(lián)系。

　　學(xué)生參與教師相關(guān)科研項(xiàng)目時(shí)需要電力拖動(dòng)控制知識(shí)，包括機(jī)器人尋跡控制、機(jī)器人融合定位以及機(jī)器人地圖構(gòu)建等科研活動(dòng)，需要對(duì)機(jī)器人的航向、速度和位置進(jìn)行精確控制，通過傳感器測(cè)量機(jī)器人的航向角、速度和位置參數(shù)，作為反饋值傳輸?shù)娇刂破鱽韺?shí)時(shí)調(diào)整輸入信號(hào)的幅值，采用電動(dòng)機(jī)控制機(jī)器人沿著規(guī)劃好的路徑運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置[9-10]。基于理論教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過課外拓展訓(xùn)練幫助學(xué)生在電力拖動(dòng) PI控制專題進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，從而促進(jìn)理論理解與實(shí)際運(yùn)用能力的提升，培養(yǎng)新工科學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力[11-12]。

　　4 結(jié)語

　　本文針對(duì)電力拖動(dòng)控制 PI專題的教學(xué)設(shè)計(jì)，以學(xué)生接觸的智能小車作為運(yùn)動(dòng)載體，設(shè)計(jì)了一條從問題引入—理論教學(xué)—實(shí)驗(yàn)教學(xué)—拓展訓(xùn)練的主線，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合并逐步推進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高電力拖動(dòng)控制的教學(xué)效果，讓學(xué)生在具體的工程實(shí)踐中掌握重點(diǎn)難點(diǎn)等相關(guān)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了新工科學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行電力拖動(dòng)控制的應(yīng)用能力，使得學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到自動(dòng)化專業(yè)今后在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或智能制造中就業(yè)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(tǒng)工程的同時(shí)，做到教學(xué)與科研融合，通過自己的努力幫助學(xué)生成為更好的自己。

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