试议控制系统“运动制约系统”课程群虚拟实验平台构建

摘要：利用Matlab/GUI，设计和实现了运动控制系统课程群的可视化虚拟实验平台的构建。该实践平台包含运动控制系统、电机与拖动和电力电力技术实验教学中典型的仿真模型和仿真实例分析，拓展了教学实践平台，帮助学生更直观地理解课程群的知识，培养学生的研究、综合应用和创新能力。
关键词：运动控制系统；课程群；Matlab/GUI；虚拟实验平台
中图分类号：G4
1.引言
"运动控制系统"是新疆大学的精品课程，是电气工程学院自动化、电气工程及其自动化专业中一门很重要的专业核心课程，是"电力电子技术"、"自动控制理论"、"电机与拖动"等课程应用的综合体现，涉及内容较多，要学好该课程，需要多实践、多了解生产实际和新技术发展的趋势[2，3]。学生在校学习，主要是通过书本学习理论知识，对生产实际知识了解甚少，实验课的学时有限、实验设备不多等诸多因素[4，5，6]，制约了实验开出的数量和质量。因此，如何加强课程的实践教学是一个急待解决的课题。

2.课程群虚拟实践平台的设计

采用Matlab/GUI开发的课程群虚拟实践平台，包含了课程"运动控制系统"、"电机与拖动"和"电力电子技术"的实践内容，通过此平台，用户可以设置相关实验参数，很方便地在界面上查看仿真结果，使用方便快捷，大大提高了仿真效率。

2.1电机特性GUI设计

电机虚拟试验包含电机的起、制动、调速、转矩特性与机械特性的绘制等，设计内容为：调用电机图片，加载实例，查看公式等功能，调用另一个GUI，打开公式图片；通过按钮来回调电机特性的m文件，在GUI界面中输入相应参数及仿真时间，即可观察到相应特性曲线，如图1所示。
图1电机特性的仿真界面

2.2电力电子技术GUI设计

电力电子技术虚拟实验，包含了整流、直流斩波、交流调压、PWM逆变等内容[3]。搭建Simulink模型，在设计的GUI界面中，输入元件参数与仿真时间，运用simset命令，改变Simulink模型中的参数，仿真时起动后台的Simulink，导出波形，在GUI界面中，可方便显示出仿真的整流波形，单相全波可控整流的仿真界面如图3。
图2单相全波可控整流的仿真结果

2.3运动控制系统的分析与GUI设计

运动控制系统实验，包含了系统稳态指标计算、调节器的设计和曲线绘制等。结合文献，采用M文件来实现，输入系统的相关参数，可方便对其进行求解，不仅可以求解相关的习题，还设计了"查看公式"按钮，便于查看使用的公式，为相关知识的学习提供了方便，其中双闭环直流调速系统的调节器设计，实现了电流调节器ACR和速度调节器ASR传递函数中的参数计算，电流环和速度环的阶跃响应与伯德图绘制，调节器装置、相关传递函数与动态结构图的显示等[6]。两个调节器均采用工程设计法实现，电流环与转速环在设计过程中的设计思想基本类似，在可视的图形窗口绘出电流环的伯德图；添加一些功能按钮，用户在填好参数后，单击确定按钮就可方便的得到仿真结果，同时也可以通过"加载事例"按钮，来得到"加载实例"的结果和波形，电流环伯德图绘制的GUI界面如图3所示。
图3电流环伯德图绘制的GUI界面
图3所示界面，实现了阶跃响应、BODE图

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和电流波形等曲线的绘制，还可以调用SIMULINK来完成仿真，对电流环的频域指标相位裕量和剪切频率，时域指标超调量和稳态误差进行了求解，系统性能分析等。

3.结束语

借助Matlab/GUI实现了三门相关课程虚拟实践平台的开发，针对不同课程、不同内容，对运动控制系统、电机与拖动和电力电力技术课程的相关计算进行快速求解，完成图形绘制等。运用GUIDE直观显示及界面辅助用户查询的功能，使得界面形象、操作简单。用户只需在提示框中，输入实际系统的已知参数，就可以得到相应的仿真结果，为从事自动化专业的工作人员、教师和学生提供了便捷的分析平台。
参考文献
陈伯时.电力拖动自动控制系统（第三版）[M]，北京：机械工业出版社，2003
顾绳谷.电机与拖动[M]，北京：机械工业出版社，2006
[3]王兆安.电力电子技术[M]，北京：机械工业出版社，2006
[4]朱秋琴，王海伦.《运动控制系统》课程虚拟实验的设计[J].考试周刊：2011（12）：142-143
[5]木合亚提·伊克山."电力拖动自动控制系统"课程实验的改革[J].实验室研究与探索：2010，29（12）：131-133
[6]尚丽，淮文军.基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J]实验室研究与探索，2010，29（6）：66-71