引言
仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以
及仿真应用领域的有关技术为基础, 以计算机系统
或应用有关的物理效应设备及仿真器为根据, 利用
模型对系统进行研究的一门多学科的综合性技
术[ 1 ]。目前, 随着仿真技术的迅猛发展, 其应用已经
渗透到工程技术的各个领域。电气工程及其自动化
专业类教学涉及到电机学、自动控制理论、电力拖
动、微型计算机技术和电力电子技术等学科的广泛
内容, 既要求学生能掌握电气工程的基础理论, 又要
求能掌握电气工程类专业研究问题的方法, 并且应
具备较强的动手实践能力。因此, 在目前有限的课堂
教学和实验学时内, 运用一定的仿真软件和计算机
技术, 使学生能更系统地掌握专业的基本理论和控
制系统的设计思想和方法, 培养学生科研能力, 是专
业教学中值得研究和探讨的课题。
本文在介绍MA TLAB 仿真软件内容的基础
上, 以毕业设计专业教学环节为例, 详细探讨了
MA TLABöS IMUL IN K 软件在电气类专业教学中
的应用, 进而说明利用这一仿真工具可以提高学生
对专业基础理论的理解能力、动手能力和科研能力。
1 MATLAB 仿真软件的介绍
MA TLAB 仿真软件自1984 年推出以来, 已越
来越引人注目, 1993 年后又相继推出了MA T2
LAB41X、MA TLAB51X 等基于W INDOW S 系统
的版本, 目前已经达到了MA TLAB612 版本。
MA TLAB 软件除了强大的数值计算功能外, 还具
有强大的仿真分析功能, 如S IMUL IN K 的建模和
仿真。S IMUL IN K 是MA TLAB 软件下的一个附加
组件, 是用来提供一个系统级的建模与动态仿真的
工具平台, 在其下面提供了丰富的仿真模块, 如电气
工程类专业应用较多的Pow erSystem 模块, 它包括
各种电机的仿真模型、电力电子器件模型以及各种
测量装置模型等。一般来说, S IMUL IN K 的功能有
系统建模和系统仿真两个部分, 可以很容易地利用
鼠标在模型窗口中建立所需的控制系统模型, 然后
利用其提供的功能对系统进行仿真与分析, 使得一
个复杂系统的输入、输出以及控制变得相当的简单
和直观。用MA TLABöS IMUL IN K 仿真与分析控
制系统的主要步骤为: (1) 建立控制系统方块图模型
并确定仿真输入和输出; (2) 设置仿真参数; (3) 进行
动态仿真并观看输出结果; (4) 针对输出结果进行分
析和比较。
2 MATLABöS IM UL INK 软件在毕
业设计专业教学环节中的应用
利用MA TLAB 强大的数值仿真和数据处理能
力, 可对电气工程及其自动化专业的“自动控制原
理”、“电力电子技术”、“电机及拖动基础”、“电力系
统稳态分析”和“数字信号处理”等课程内容进行仿
真、研究, 然而在这方面的教学应用文献较多[ 2, 3 ] , 并
且大都停留在如何对MA TLABöS IMUL IN K 软件
的操作和使用问题, 其实对于大多数软件本身操作
和使用可参照其详细的帮助说明。本文重点以两个
学生的毕业设计内容和仿真结果为例, 从专业教学
环节角度探讨该仿真软件在电气工程类教学中的应
用, 从而培养本科生应用所学专用知识提高工程问
题的建模和分析能力。
211 基于MATLAB 的SPWM 交流调速系统的仿
真研究
结合“电力电子技术”、“电机及拖动基础”和“近
代交流调速”等课程的相关内容, 学生以“基于
MA TLAB 的SPWM 交流调速系统的仿真研究”为
毕业设计题目进行了研究。要求学生在熟悉交- 直
- 交电压型SPWM 的基础上, 利用MA TLABö
S IMUL IN K 仿真软件对其进行建模; 在熟悉感应电
动机变频调速的原理基础上, 对转速闭环的控制器
进行设计, 从而研究和分析转速闭环恒压频比的
SPWM 控制的变频调速的过程; 加深对SPWM 控
制原理的理解, 最后对定子电流的谐波含量进行频
谱分析。限于篇幅, 下面主要列出其仿真模型和结果
分析。
整个SPWM 控制方式的感应电动机变频调速系统
的整个框图如图1 所示, 其中包括三相正弦波模块、
等腰三角波的产生模块、转速频率变换器模块以及
P I 控制器等自己封装的模块等。图2 和图3 分别是
表示电机在恒负载下转速阶跃输入时, 电机转速响
应曲线和电磁转矩的变化曲线。
通过对转速频率变换器的设计, 使得学生进一
步了解感应电动机压频比控制的原理; 通过对P I 控
制器的设计和各种控制参数的调节, 巩固了常规控
制器中比例调节系数、积分调节系数对控制系统的
动、静态特性影响的规律; 通过SPWM 模型的建立
和仿真, 进一步熟悉了其控
制原理以及逆变器输出电压
与调制波的频率无关而电压
幅值与调制度成正比等规
律; 从整个控制系统的仿真
结果可以看出, 在信号产生
阶跃处, 整个控制系统发生
波动但随后便进入了新的稳
定状态, 图2 所示的转速波
形非常直观地表现了转速跟随给定信号变化的情
况, 相应的电磁转矩也发生了变化。
212 直流电动机调速系统模糊控制的仿真
MA TLABöS IMUL IN K 中包含了丰富的工具
箱, 如目前自动控制理论中较为热点的模糊控制工
具箱、神经网络控制工具箱以及小波分析包等。虽然
本科阶段对智能控制理论的教学内容涉及不多, 但
也可以在毕业设计中让学生利用MA TLAB 软件进
行初步的研究。该学生以“直流电动机调速系统模糊
控制的仿真”为题, 对模糊控制的理论和控制效果进
行了研究, 其主要内容有:
(1) 在熟悉自动控制理论的基础上, 根据给定对
象建立其常规P ID 控制系统, 使用MA TLAB 软件
中S IMUL IN K 对系统进行仿真, 进而分析常规P ID
对控对象本身的影响以及各个调节参数对控制性能
指标的影响规律;
(2) 在熟悉模糊数学理论基础、模糊控制理论的
基础上, 根据给定对象建立其模糊控制系统, 包括输
入、输出量的确定, 比例因子的计算, 控制规则的建
立等;
(3) 将模糊控制器应用到具有非线性、时变性特
点的直流电动机双闭环调速系统, 通过改变电机参
数等进一步分析模糊控制具有适应能力等特点。
该毕业设计论文以一台实际的他励直流电动机
为被控制对象, 直流电动机主要参数为: 额定功率
PN = 5hp , 额定电压UN = 240V , 额定电枢电流IN =
1612A , 额定转速nr = 1220rpm , 电枢电阻R a =
0168 , 电感L a= 01012H, 励磁电阻R f= 2408 , 励磁
电感L f= 120H, 互感L af= 118H。其双闭环直流电动
机调速系统的模糊控制模型如图4 所示, 它主要包
括电流环P I 调节器模型和转速环模糊控制器。为了
验证模糊控制器在电机参数变化或负载突变时的控
制效果, 本文分别对转速的稳态调节、电枢电阻变化
以及负载突变时的响应特性进行了仿真研究, 并将
仿真结果与转速环采用常规P ID 控制器的情况进
行了比较。由于篇幅限制, 在此只列出电枢电阻变化
时的响应特性如图5 和图6 所示, 以及负载突变时
的响应特性如图7 和图8 所示。图中, 曲线“1”表示
采用常规P ID 控制时的控制效果, 曲线“2”表示采
用模糊控制时的控制效果。
图5 和图6 为电枢电阻增加10% 时的转速响
应曲线和电枢电流响应曲线, 从仿真曲线可以看出,
模糊控制对电枢电阻增加时的控制效果影响不大,
而采用常规P ID 控制时, 动态控制效果差, 过渡时
间长。图7 和图8 为负载转矩阶跃为30N ·m 时的
转速响应曲线和电枢电流响应曲线, 从仿真曲线可
以看出, 模糊控制器对负载突变具有良好的适应能
力, 电枢电流的过渡过程时间短, 并最终达到给定
值; 而采用常规P ID 控制时, 当负载突变后电枢电
流开始失调, 导致输出转速很难跟随给定值。
3 结论
以上两个例子只是我在教学中对MA TLABö
S IMUL IN K 仿真软件的应用, 但是MA TLAB 软件
功能强大, 可以运用到许多的领域, 并且还可以研究
一些当今比较热门的学科。总之, 在电气工程类专业
教学中应用MA TLAB 仿真软件是非常有必要的,
通过MA TLABöS IMUL IN K 更能系统地让学生掌
握控制系统设计思想的演化过程以及电气工程学科
专业知识, 从而提高学生分析和解决实际问题的能
力, 进一步培养学生的科研能力。