《Matlab與電力拖動控制仿真》教學大綱

《Matlab與電力拖動控制仿真》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05153061課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學分：1.5學分學時：24學時（理論8學時，上機16學時）先修課程：電機學、電路等后續(xù)課程：電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷適用專業(yè)：電氣工程及其自動化開課單位：電氣工程與自動化學院一、課程說明《Matlab與電力拖動控制仿真》是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)選修課。本課程主要傳授直流和交流調(diào)速系統(tǒng)的組成原理和應用，以及調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真技術，為學習其他有關課程及以后從事電氣工程領域技術工作打下必要的基礎。本課程在適當闡述理論的基礎上，重點介紹系統(tǒng)的分析和工程應用，強調(diào)培養(yǎng)運用理論知識與建模分析方法來解決實際生產(chǎn)與研究中問題的能力，兼顧新技術及其發(fā)展方向的介紹。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：能夠基于數(shù)學模型對直流電動機、異步電動機、變壓器、晶閘管等元件及系統(tǒng)進行仿真建模；能夠?qū)⒐こ袒A和專業(yè)知識用于電力拖動系統(tǒng)問題的分析和優(yōu)化。課程目標2：掌握直流電動機、交流電動機的控制、調(diào)速等關鍵過程與問題的建模方法，能夠采用Matlab軟件對直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)、雙環(huán)控制以及交流電動機開環(huán)恒壓頻比調(diào)速和磁鏈等復雜問題進行建模仿真與模擬分析；能夠認識Matlab軟件在電力拖動控制系統(tǒng)中的局限性，培養(yǎng)學生樹立正確的科學理念。課程目標3：能夠根據(jù)電力拖動控制項目，使用Matlab/simulink對電力拖動控制系統(tǒng)進行針對性建模，建模過程中，需要有針對性的查閱文獻，展開技術問題探索、歸納總結(jié)，所搭模型對復雜電氣工程具體問題進行預測與模擬，并能夠理解其局限性。三、課程目標與畢業(yè)要求《Matlab與電力拖動控制仿真》課程教學目標對電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度2.問題分析2.2能夠運用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，分析并表達復雜電氣工程問題的特性，獲得多種解決方案。課程目標1：能夠基于數(shù)學模型對直流電動機、異步電動機、變壓器、晶閘管等元件及系統(tǒng)進行仿真建模；能夠?qū)⒐こ袒A和專業(yè)知識用于電力拖動系統(tǒng)問題的分析和優(yōu)化。M4.研究4.2能夠根據(jù)復雜電氣工程問題的特征，選擇研究路線，設計實驗方案。課程目標2：掌握直流電動機、交流電動機的控制、調(diào)速等關鍵過程與問題的建模方法，能夠采用Matlab軟件對直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)、雙環(huán)控制以及交流電動機開環(huán)恒壓頻比調(diào)速和磁鏈等復雜問題進行建模仿真與模擬分析；能夠根據(jù)復雜電氣工程問題的特征，選擇研究路線，設計實驗方案，培養(yǎng)學生樹立正確的科學理念；能夠認識Matlab軟件在電力拖動控制系統(tǒng)中的局限性，培養(yǎng)學生樹立正確的科學理念。M5.使用現(xiàn)代工具5.3能夠開發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代工具對復雜電氣工程具體問題進行預測與模擬，并能夠理解其局限性。課程目標3：能夠根據(jù)電力拖動控制項目，使用Matlab/simulink對電力拖動控制系統(tǒng)進行針對性建模，建模過程中，需要有針對性的查閱文獻，展開技術問題探索、歸納總結(jié)，所搭模型對復雜電氣工程具體問題進行預測與模擬，并能夠理解其局限性。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內(nèi)容、基本要求與學時分配教學內(nèi)容教學要求，教學重點難點理論學時上機學時對應的課程目標1.MATLAB基礎1.1MATLAB基礎1.2MATLAB的安裝與啟動1.3MATLAB環(huán)境1.4MATLAB的計算基礎1.5MATLAB程序設計基礎1.6MATLAB常用的其他命令1.7MATLAB的繪圖功能教學要求：使學生了解MATLAB工作環(huán)境；掌握MATLAB常用運算和基本數(shù)學函數(shù)；掌握MATLAB程序設計基礎和繪圖功能。重點：MATLAB工作環(huán)境、計算基礎、繪圖功能。難點：MATLAB程序設計基礎、繪圖功能。121、22.Simulink環(huán)境和模型庫2.1系統(tǒng)仿真（SIMULINK）環(huán)境2.2SIMULINK模型庫中的模塊2.3電力系統(tǒng)模型庫教學要求：使學生掌握Simulink模塊庫及操作；掌握常用模型的查找方法。重點：模型庫的認識與查找。難點：模型的查找。121、23.電力電子器件模型3.1二極管模型3.2晶閘管模型3.3可關斷晶閘管模型3.4電力場效應管模型3.6理想開關模型3.7三相橋式整流電路模型3.9驅(qū)動模型4.變壓器和電動機模型4.1變壓器模型4.2直流電機模型4.3交流電機模型教學要求：使學生掌握二極管、晶閘管、變壓器、直流電機、交流電機的數(shù)學模型；掌握電力拖動系統(tǒng)中常用模型庫的使用。重點：元件模型的選擇與參數(shù)設置。難點：直流電機與交流電機模型的使用。121、25.電力電子變流電路的仿真5.1交流-直流變流器5.2直流-直流變流器5.3交流-交流變流器5.4交流-交流變流器教學要求：使學生掌握常用的電能變換的建模方法；掌握Powergui在簡單電力電子仿真中的應用。重點：電能變換的建模方法、Powergui。難點：電能變換的建模方法、Powergui。121、2、36.直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真6.1直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真6.2轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真6.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真教學要求：使學生理解開環(huán)調(diào)速、閉環(huán)調(diào)速、雙閉環(huán)調(diào)速的常用方法；掌握常用調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)的調(diào)試方法。重點：各種調(diào)速系統(tǒng)模型的搭建及參數(shù)調(diào)試方法。難點：模型構(gòu)建、參數(shù)設置及仿真結(jié)果分析。121、2、36.直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真6.4直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真6.5H橋主電路和直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真教學要求：使學生理解直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理；掌握直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的模型搭建、參數(shù)設置及結(jié)果分析。重點：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的模型搭建及仿真。難點：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的模型搭建、參數(shù)設置及結(jié)果分析。121、2、37.交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真7.1交流電動機減壓軟起動系統(tǒng)仿真7.2轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真7.3空間矢量的坐標變換教學要求：使學生掌握交流電動機減壓軟起動系統(tǒng)的建模與仿真；掌握交流電動機開環(huán)恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真；了解空間矢量的坐標變換在異步電動機分析中的應用。重點：異步電動機減壓軟起動的建模及仿真，轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制系統(tǒng)的建模及仿真。難點：空間矢量的坐標變換。121、2、37.交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真7.4交流異步電動機的磁鏈觀察7.5交流異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真教學要求：使學生掌握轉(zhuǎn)子磁鏈的電流、電壓模型及其仿真；掌握交流異步電動機的矢量控制仿真方法。重點：轉(zhuǎn)子磁鏈的仿真，交流異步電動機的矢量控制仿真。難點：交流異步電動機的矢量控制仿真。121、2、3合計8162.上機部分上機部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表3。表3上機項目、上機內(nèi)容與學時上機項目上機內(nèi)容和要求上機學時對應的課程目標1.MATLAB基礎上機內(nèi)容：進行數(shù)組和矩陣運算、基本繪圖、程序設計。上機要求：熟悉MATLAB工作環(huán)境；掌握MATLAB常用運算和基本數(shù)學函數(shù)；掌握MATLAB程序設計基礎和繪圖功能。21、22.Simulink環(huán)境和模型庫上機內(nèi)容：采用等效電路及二極管整流系統(tǒng)建模。上機要求：掌握Simulink模塊庫及操作；掌握創(chuàng)建模型的基本步驟及仿真算法。21、23.電力電子器件、變壓器和電動機模型上機內(nèi)容：三相橋式整流系統(tǒng)建模分析。上機要求：掌握電力電子器件、變壓器、直流電機、交流電機等電力拖動基本模型的用法；熟悉電力圖形用戶分析界面（Powergui）模塊。21、24.電力電子變流電路的仿真上機內(nèi)容：三相電壓源型SPWM逆變器仿真。上機要求：掌握常用電能變換電路的建模方法；掌握Powergui在簡單電能變換建模中的應用。21、2、35.直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真-1上機內(nèi)容：直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的建模與分析。上機要求：掌握直流雙閉環(huán)系統(tǒng)模型構(gòu)建方法。21、2、36.直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真-2上機內(nèi)容：直流可逆系統(tǒng)的仿真分析。上機要求：掌握直流可逆系統(tǒng)的建模及仿真。21、2、37.交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真-1上機內(nèi)容：異步電動機的轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制仿真分析。上機要求：掌握異步電機的轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的建模及仿真方法。21、2、38.交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真-2上機內(nèi)容：轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真。上機要求：掌握轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真方法。21、2、3合計16五、教學方法及手段本課程以課堂講授與上機操作為主，結(jié)合討論、案例分析、視頻資源共享等教學手段完成課程教學任務和相關能力的培養(yǎng)。使學生比較熟練的掌握Matlab/Simulink的基本使用方法，具備進行簡單電力拖動控制系統(tǒng)建模、仿真分析的初步能力。上機教學著重講授如何用科學的手段來完成理論的驗證，如何展開建模、處理數(shù)據(jù)和分析仿真結(jié)果等。采用教師講授和學生動手操作的方法；在上機前學生應復習和掌握與本次上機有關的教學內(nèi)容、認真閱讀上機指導書；在上機中要嚴格遵守實驗室規(guī)章制度。六、課程資源1.推薦教材：（1）洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.2.參考書：（1）曹弋.MATLAB在電類專業(yè)課程中的應用-教程及實訓[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016.（2）李維波.MATLAB在電氣工程中的應用(第二版)[M].北京:中國電力出版社,2016.（3）陳中.基于MATLAB的電力電子技術和交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真(第二版)[M].北京:清華大學出版社,2019.3.期刊：（1）中國電機工程學報,中國電機工程學會（2）電工技術學報,中國電工技術學會（3）電力系統(tǒng)自動化,國網(wǎng)電力科學研究院（4）高電壓技術,國網(wǎng)電力科學研究院,中國電機工程學會（5）IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,IEEE（6）IEEETransactionsonPowerSystems,IEEE（7）IEEETransactionsonElectronDevices,IEEE4.網(wǎng)絡資源：（1）中國電機工程學會./index.html.（2）IEEETransactionsonIndustryApplications./xpl/RecentIssue.jsp?punumber=28#opennewwindow.（3）愛課程網(wǎng)./home/七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和機試成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分；（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√352上機20（1）根據(jù)每個上機項目的操作完成情況和建模仿真質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次上機項目單獨評分，取各次上機成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績；（3）以上機成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?132作業(yè)10（1）主要考核學生對主要知識點理解和建模方法的掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績；（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?52機試60（1）機試成績100分，以機試成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績；（2）主要考核電力系統(tǒng)工程的建模仿真與分析，考核內(nèi)容圍繞潮流計算、故障分析、穩(wěn)態(tài)分析等課程內(nèi)容的某一要點展開；（3）機試類型為：系統(tǒng)建模仿真?！獭獭?0355合計：100分315811八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、上機、作業(yè)、機試等方式對學生進行考核評價。考核基本要求：考核總成績由機試成績和過程性考核成績組成。其中：機試成績?yōu)?00分（權(quán)重60%）；課堂表現(xiàn)、上機、作業(yè)等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性考核分值分配應與教學大綱各章節(jié)的學時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)25按時出勤，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。按時出勤，認真參與教學活動，回答問題準確率大于80%。按時出勤，偶爾參與教學活動，回答問題準確率大于70%。缺勤1次，上課不認真，偶爾參與教學活動。缺勤2次，上課不認真，不參與教學活動。上機50能夠熟練掌握方法與步驟