0.引言

“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法，其包涵了智能工廠、智能生產、智能物流這三大主題。中國制造2025是國家實施制造強國戰略的行動綱領,而智能制造又是引領中國制造走向高端的切人點。因此，這對與“智能制造”相關的高校課程教學改革既秦一個機遇和方向,也是一個挑戰，其中對機電一體化系統設計課程教學改革是不可忽視的。機電一體化系統是一門綜合性、應用型很強的課程，它涉及的知識面廣泛，包括了機械部分、電氣部分、系統控制部分等，是智能制造中不可或缺的部分，對培養機電專業人才具有重要作用。

目前，購買龐大的機電實驗設備是一種不錯的理論聯系實踐的教學方法，但資金投入較大,這對大多數高校是一個不小的負擔。而仿真的引人能夠彌補這方面的缺陷，又能提高學生對理論知識的理解。目前國際上科學運算與計算機仿真領域首選的計算機語言是matlab，與之配套的simulink仿真技術,并且它涵蓋了數值計算與分析、信號處理、圖像處理、通信、控制系統設計、測試測量等眾多領域，為不同的物理系統混合仿真提供了新的有效的解決方案。因此，把matlab/simulink引人機電一體化系統設計教學改革,并選取合適的案例進行教學，是一種非常不錯的解決方法。

1.案例選取

機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統的總稱，是一門面向應用的技術，代表了機械產品的柔性化和智能化發展方向，因此，案例的選取也體現這一點。機電一體化系統設計為機械制造及自動化、機械電子工程等機械專業方向的必修專業主干課程，并且要求學生在學習本門課程之前需要進行《機械原理》《機械設計》?電路》《電力電子技術》《電機傳動控制》《測試技術》《控制工程基礎》《微機原理》《電氣控制技術》等先修課程的學習。所以，把matlab/simulink仿真引人多學科融合的、理論與實踐相結合的機電一體化系統是教學課程改革中的一個關鍵點,需要從課程中合理地選取案例,使之既能反映各部分知識點又能反映它們之間的系統聯系。從不同的角度進行選取，在機電一體化系統設計這門課程中滿足條件的案例是有很多的，其中電機控制作為機電一體化系統設計一直以來是一個重要的知識點。本文選取直流電機閉環調速控制作為案例進行分析,涉及《電路》《電力電子技術》《電機傳動控制》《測試技術》《控制工程基礎》《電氣控制技術》等基礎課程,包含有單相交流電、三相交流電、AC-DC整流、電橋、晶閘管特性、直流電機機械特性、開環控制、閉環控制等知識點。并且，用matlab/simulink仿真技術把這些知識點從簡單到難串聯起來，開放建模系統，這將有助于學生從系統的角度學習掌握機電一體化知識。

2.案例仿真研究過程

在引人matlab/simulink的機電一體化系統設計課程仿真教學設計中,仿真思路是先從元器件的性能開始，然后簡單開環控制，最后到閉環控制。這樣使學生不僅能弄清楚各個元器件，還能分析整個系統。下面就是機電一體化系統設計課程中典型案例的matlab/simulink仿真建模設計的關鍵步驟。

2.1元器件選取.

在機電一體化系統設計的直流電機控制仿真典型案例中，所涉及的兀器件模塊有ACVoltageSource、Scope、Sum、Step、Constant、ParallelRLCBranch、DCMachine、CurrentMeasure?ment、VoltageMeasurement、MeanValue、Powergui、PIDControl?ler^Display^Synchronization6-PulseGenerator,Thyristor^Univer?salBridge^PulseGenerator'Terminator等主要模塊。

2.2主要部件測試分析

為了使學生不僅能學到系統知識，還需要讓學生知道各個元器件的知識點，因此有必要設計元器件主要模塊的分析模型。下面設計三相交流電、單相交流電整流、三相交流電整流、晶閘管原理模塊、橋式整流模塊，并進行必要說明，起到從元器件到簡單系統的過渡作用。

首先,是使用matlab/simulink搭建的三相交流電電源波形仿真模型及其Scope輸出的仿真波形圖。當電源參數調整、負載電阻調整的時候，波形圖是符合歐姆定律發生變化的。如電源的頻率設置為50Hz時，根據公式T=1//，得出周期為0.02So讓學生充分理解這點，對后面對晶閘管觸發角改變得到不同輸調整并顯示出來.便于學生發現問題思考問題:

其次，在了解三相交流電的電源波形及其負載特性之后，應該為案例中AC-DC整流關鍵部件搭建一個性能仿真平臺，即晶閘管性能仿真模型:模型中AC峰值設置為220V,調整晶閘管的觸發方波，可以從S?Pe示波中觀測形圖,.，從波形圖來看,正好說明了晶閘管正常工作時的4個特性，即①當晶閘管承受反向電壓時,不論門極是否有觸發電流.晶閘管都不會導通。②當晶閘管承受正向電壓時,僅在門極有觸發電流的情況下品閘管才能導通。③晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用,不論門極觸發電流是否存在，晶閘管都保持導通.④若要使已經導通的品閘管關斷,只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流下降接近于零的某一數值一下。讓學生了解這點，是至關重要的，它為后續的電橋整流、調壓等提供基礎。

接下來是了解交流電的晶閘管全橋整流特性，搭建的仿真圖及波形輸出圖,從圖中可以觀測得到整流后負載的電壓平均值，這跟使用晶閘管橋式整理的理論公式％=計算所得結果是相符合的.同時可以調整a大小復觀測電壓平均值，思考a的變化與輸出電壓值之間的關系：也就是說，調整觸發角a的大小,可以改變負載得到的電壓有效值,為后面的DCMadiine調速控制做好準備。

最后一個較關鍵的部件就足直流電機模型仿真,建立直流電機的性能仿真模型丨從輸出的Scope波形圖來看,仿真輸出與直流電機轉速、電流、電磁轉矩以及勵磁電流的理論公式推導輸出是相符合的,這就加深了學生對直流電機公式的理解和熟悉，認識和理解直流電機的機械特性，為后續的直流電機調速控制起到至關重要的作用。

2.3開環控制測試分析

在對直流電機閉環調速控制分析前.應該讓學生了解直流電機的開環調速控制，搭建三相交流的simulink的DCMachine開環仿真模型。在這個simulink中有幾個關鍵點需要學生弄清楚,如三相交流的自然換相點、晶閘管門極控制的觸發順序、脈沖觸發時間的改變如何影響電壓電路的輸出量、直流電機負載的改變是如何影響電機輸出速度和輸出力矩、逐一修改每個參數對輸出波形圖影響的定性和定量分析等關鍵點，只有當學生在仿真學習中帶著問題把它弄清楚后，才能很好地對DCMachine進行閉環控制。

2.4閉環控制測試分析

在對DCMachine進行了開環控制分析后，就可以搭建閉環控制模型了，這里的關鍵點是對系統傳遞函數的理解、控制策略的分析。為了簡單、調試方便，是使用r比例控制，在實際的控制學習中，還可以增加控制策略.如PI、PD、P1D等等,這些在仿真模型中都可以讓學生自行簡單修改模型和設置參數，思考修改參數后Scope輸出波形的變化情況，反復修改直到輸出滿足控制要求.，在這個過程中，讓學生學會思考問題解決問題，學會思考如何把理想的數學模型，如典型PI傳遞函數讓學生學會如何把控制器的輸出數值線性變化進行控制具體的物理變量,的晶閘管觸發角a的變化：學生在應用simulink調試的過程中，遇到某個物理量、某個環節的數據等不太清楚時,可以方便建立Scope示波器觀測其變化規律和具體數值,Scope、Scope2、Scope3都起到這個作用，給定值為100,比例P為15、以及使用飽和截斷saturatim等，得出波形圖。

3.仿真結果與教學效果分析

本教學設汁的案例是在使用比例控制、負載為輕載等條件下得到仿真波形，從輸出的結果來看，符合控制要求當然，這是可以讓學生修改simulink模型，使用其他控制策略、使用不同電機、修改不同負載如重載荷或者交變載荷等情況，也就是說利用simulink的開放性多物理平臺建模仿真技術,能讓學生思考問題解決問題中理解和掌握知識。本案例已經在我校機電專業兩個班的教學中作了一下嘗試，學生反映效果不錯，能夠起到串聯以前基礎課的重要知識點，能從系統的角度分析問題和解決問題。

4.結語

這個典塑的案例是由元器件及關鍵部件仿真一開環仿真一閉環仿真這條路線進行組織分析的，串聯了機電一體化系統設計的電力電子器件、AC_DC整流、電機機械特性及拖動性能、機械工程控制基礎中的控制策略等知識點，涉及到電氣方程、機械方程、控制函數等應用，屬于機電一體化系統設計課程中一個重要的案例:該案例在使用simulink的建模中是開放性的設計，可以讓學生自行修改參數和模型，也可以讓學生很方便地搭建Scope，測試任何他想要觀測的環節參數，反復修改及觀測，直到控制滿足設定要求既使學生把基礎課程中學到的知識點加強理解和系統鞏固起來，同時又鍛煉學生在遇到問題時，思考問題解決問題的能力。本案例是機電一體化系統設計課程教學改革中一個小小的嘗試和探索,降低課程仿真教學成本，對matlab/simulink開放性、混合型的建模思想引入課程仿真教學起到一個拋磚引玉的作用。

覃金昌，王為慶(桂林航天工業學院機械工程系，廣西桂林541004)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的matlab在机电一体化的仿真图,基于simulink的机电一体化系统案例仿真教学研究的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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