《Matlab与电力拖动控制仿真》教学大纲

《Matlab与电力拖动控制仿真》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：05153061课程性质：专业选修课学分：1.5学分学时：24学时（理论8学时，上机16学时）先修课程：电机学、电路等后续课程：电气设备在线监测与故障诊断适用专业：电气工程及其自动化开课单位：电气工程与自动化学院一、课程说明《Matlab与电力拖动控制仿真》是电气工程及其自动化专业的一门专业选修课。本课程主要传授直流和交流调速系统的组成原理和应用，以及调速系统的建模与仿真技术，为学习其他有关课程及以后从事电气工程领域技术工作打下必要的基础。本课程在适当阐述理论的基础上，重点介绍系统的分析和工程应用，强调培养运用理论知识与建模分析方法来解决实际生产与研究中问题的能力，兼顾新技术及其发展方向的介绍。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：能够基于数学模型对直流电动机、异步电动机、变压器、晶闸管等元件及系统进行仿真建模；能够将工程基础和专业知识用于电力拖动系统问题的分析和优化。课程目标2：掌握直流电动机、交流电动机的控制、调速等关键过程与问题的建模方法，能够采用Matlab软件对直流调速系统的开环、闭环、双环控制以及交流电动机开环恒压频比调速和磁链等复杂问题进行建模仿真与模拟分析；能够认识Matlab软件在电力拖动控制系统中的局限性，培养学生树立正确的科学理念。课程目标3：能够根据电力拖动控制项目，使用Matlab/simulink对电力拖动控制系统进行针对性建模，建模过程中，需要有针对性的查阅文献，展开技术问题探索、归纳总结，所搭模型对复杂电气工程具体问题进行预测与模拟，并能够理解其局限性。三、课程目标与毕业要求《Matlab与电力拖动控制仿真》课程教学目标对电气工程及其自动化专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度2.问题分析2.2能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，分析并表达复杂电气工程问题的特性，获得多种解决方案。课程目标1：能够基于数学模型对直流电动机、异步电动机、变压器、晶闸管等元件及系统进行仿真建模；能够将工程基础和专业知识用于电力拖动系统问题的分析和优化。M4.研究4.2能够根据复杂电气工程问题的特征，选择研究路线，设计实验方案。课程目标2：掌握直流电动机、交流电动机的控制、调速等关键过程与问题的建模方法，能够采用Matlab软件对直流调速系统的开环、闭环、双环控制以及交流电动机开环恒压频比调速和磁链等复杂问题进行建模仿真与模拟分析；能够根据复杂电气工程问题的特征，选择研究路线，设计实验方案，培养学生树立正确的科学理念；能够认识Matlab软件在电力拖动控制系统中的局限性，培养学生树立正确的科学理念。M5.使用现代工具5.3能够开发或选用满足特定需求的现代工具对复杂电气工程具体问题进行预测与模拟，并能够理解其局限性。课程目标3：能够根据电力拖动控制项目，使用Matlab/simulink对电力拖动控制系统进行针对性建模，建模过程中，需要有针对性的查阅文献，展开技术问题探索、归纳总结，所搭模型对复杂电气工程具体问题进行预测与模拟，并能够理解其局限性。H注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时上机学时对应的课程目标1.MATLAB基础1.1MATLAB基础1.2MATLAB的安装与启动1.3MATLAB环境1.4MATLAB的计算基础1.5MATLAB程序设计基础1.6MATLAB常用的其他命令1.7MATLAB的绘图功能教学要求：使学生了解MATLAB工作环境；掌握MATLAB常用运算和基本数学函数；掌握MATLAB程序设计基础和绘图功能。重点：MATLAB工作环境、计算基础、绘图功能。难点：MATLAB程序设计基础、绘图功能。121、22.Simulink环境和模型库2.1系统仿真（SIMULINK）环境2.2SIMULINK模型库中的模块2.3电力系统模型库教学要求：使学生掌握Simulink模块库及操作；掌握常用模型的查找方法。重点：模型库的认识与查找。难点：模型的查找。121、23.电力电子器件模型3.1二极管模型3.2晶闸管模型3.3可关断晶闸管模型3.4电力场效应管模型3.6理想开关模型3.7三相桥式整流电路模型3.9驱动模型4.变压器和电动机模型4.1变压器模型4.2直流电机模型4.3交流电机模型教学要求：使学生掌握二极管、晶闸管、变压器、直流电机、交流电机的数学模型；掌握电力拖动系统中常用模型库的使用。重点：元件模型的选择与参数设置。难点：直流电机与交流电机模型的使用。121、25.电力电子变流电路的仿真5.1交流-直流变流器5.2直流-直流变流器5.3交流-交流变流器5.4交流-交流变流器教学要求：使学生掌握常用的电能变换的建模方法；掌握Powergui在简单电力电子仿真中的应用。重点：电能变换的建模方法、Powergui。难点：电能变换的建模方法、Powergui。121、2、36.直流调速系统的仿真6.1直流电动机开环调速系统仿真6.2转速闭环控制的直流调速系统仿真6.3转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真教学要求：使学生理解开环调速、闭环调速、双闭环调速的常用方法；掌握常用调速系统模型参数的调试方法。重点：各种调速系统模型的搭建及参数调试方法。难点：模型构建、参数设置及仿真结果分析。121、2、36.直流调速系统的仿真6.4直流可逆调速系统仿真6.5H桥主电路和直流PWM-M可逆调速系统的仿真教学要求：使学生理解直流可逆调速系统的工作原理；掌握直流可逆调速系统的模型搭建、参数设置及结果分析。重点：直流可逆调速系统的模型搭建及仿真。难点：直流可逆调速系统的模型搭建、参数设置及结果分析。121、2、37.交流调速系统的仿真7.1交流电动机减压软起动系统仿真7.2转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真7.3空间矢量的坐标变换教学要求：使学生掌握交流电动机减压软起动系统的建模与仿真；掌握交流电动机开环恒压频比调速系统的建模与仿真；了解空间矢量的坐标变换在异步电动机分析中的应用。重点：异步电动机减压软起动的建模及仿真，转速开环恒压频比控制系统的建模及仿真。难点：空间矢量的坐标变换。121、2、37.交流调速系统的仿真7.4交流异步电动机的磁链观察7.5交流异步电动机矢量控制调速系统仿真教学要求：使学生掌握转子磁链的电流、电压模型及其仿真；掌握交流异步电动机的矢量控制仿真方法。重点：转子磁链的仿真，交流异步电动机的矢量控制仿真。难点：交流异步电动机的矢量控制仿真。121、2、3合计8162.上机部分上机部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3上机项目、上机内容与学时上机项目上机内容和要求上机学时对应的课程目标1.MATLAB基础上机内容：进行数组和矩阵运算、基本绘图、程序设计。上机要求：熟悉MATLAB工作环境；掌握MATLAB常用运算和基本数学函数；掌握MATLAB程序设计基础和绘图功能。21、22.Simulink环境和模型库上机内容：采用等效电路及二极管整流系统建模。上机要求：掌握Simulink模块库及操作；掌握创建模型的基本步骤及仿真算法。21、23.电力电子器件、变压器和电动机模型上机内容：三相桥式整流系统建模分析。上机要求：掌握电力电子器件、变压器、直流电机、交流电机等电力拖动基本模型的用法；熟悉电力图形用户分析界面（Powergui）模块。21、24.电力电子变流电路的仿真上机内容：三相电压源型SPWM逆变器仿真。上机要求：掌握常用电能变换电路的建模方法；掌握Powergui在简单电能变换建模中的应用。21、2、35.直流调速系统的仿真-1上机内容：直流双闭环系统的建模与分析。上机要求：掌握直流双闭环系统模型构建方法。21、2、36.直流调速系统的仿真-2上机内容：直流可逆系统的仿真分析。上机要求：掌握直流可逆系统的建模及仿真。21、2、37.交流调速系统的仿真-1上机内容：异步电动机的转速开环恒压频比控制仿真分析。上机要求：掌握异步电机的转速开环恒压频比控制的建模及仿真方法。21、2、38.交流调速系统的仿真-2上机内容：转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真。上机要求：掌握转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真方法。21、2、3合计16五、教学方法及手段本课程以课堂讲授与上机操作为主，结合讨论、案例分析、视频资源共享等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。使学生比较熟练的掌握Matlab/Simulink的基本使用方法，具备进行简单电力拖动控制系统建模、仿真分析的初步能力。上机教学着重讲授如何用科学的手段来完成理论的验证，如何展开建模、处理数据和分析仿真结果等。采用教师讲授和学生动手操作的方法；在上机前学生应复习和掌握与本次上机有关的教学内容、认真阅读上机指导书；在上机中要严格遵守实验室规章制度。六、课程资源1.推荐教材：（1）洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.2.参考书：（1）曹弋.MATLAB在电类专业课程中的应用-教程及实训[M].北京:机械工业出版社,2016.（2）李维波.MATLAB在电气工程中的应用(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2016.（3）陈中.基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2019.3.期刊：（1）中国电机工程学报,中国电机工程学会（2）电工技术学报,中国电工技术学会（3）电力系统自动化,国网电力科学研究院（4）高电压技术,国网电力科学研究院,中国电机工程学会（5）IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,IEEE（6）IEEETransactionsonPowerSystems,IEEE（7）IEEETransactionsonElectronDevices,IEEE4.网络资源：（1）中国电机工程学会./index.html.（2）IEEETransactionsonIndustryApplications./xpl/RecentIssue.jsp?punumber=28#opennewwindow.（3）爱课程网./home/七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和机试成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分；（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√352上机20（1）根据每个上机项目的操作完成情况和建模仿真质量单独评分，满分100分；（2）每次上机项目单独评分，取各次上机成绩的平均值作为此环节的最终成绩；（3）以上机成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√5132作业10（1）主要考核学生对主要知识点理解和建模方法的掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩；（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√352机试60（1）机试成绩100分，以机试成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩；（2）主要考核电力系统工程的建模仿真与分析，考核内容围绕潮流计算、故障分析、稳态分析等课程内容的某一要点展开；（3）机试类型为：系统建模仿真。√√√20355合计：100分315811八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、上机、作业、机试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由机试成绩和过程性考核成绩组成。其中：机试成绩为100分（权重60%）；课堂表现、上机、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25按时出勤，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。按时出勤，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。按时出勤，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。缺勤1次，上课不认真，偶尔参与教学活动。缺勤2次，上课不认真，不参与教学活动。上机50能够熟练掌握方法与步骤