0 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。
电气专业的话，应该好好学一学Matlab/Simulink，很多学校的电气专业都是要开这门课的。此外就是很基础的那些比如数学运算之类的简单的东西最好也学一学，这些基础的东西不难，很容易上手。
MATLAB[1] 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
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