MATLAB_SIMULINK软件在电气工程类专业毕业设计教学环节中的应用

第
25卷　第
1期
电气电子教学学报
Vol. 25　No. 1
2003年
2月JOURNAL OF EEE Feb. 2003

M ATLAB.SIM UL INK软件在电气工程类
专业毕业设计教学环节中的应用


李　辉
(重庆大学　电气工程学院
,四川重庆
400044) .


摘　要
:为了提高电气工程类专业学生的理论联系实际能力
,本文在介绍
MA TLAB仿真软件内容和工作原理的基础上
,以毕业设计的专业教
学环节为例
,重点阐述了
MA TLAB.SIMUL INK软件在
SPWM交流调速系统和直流电动机模糊控制系统设计中的应用
,仿真结果研究表明
在电气工程类专业教学中应用
The Application of MATLAB.
MA TLAB仿真软件是非常有必要的
,利用该软件可以系统地让学生掌握控制系统设计思想的演化过程以及电
文章编号:1008-0686 (2003)01-
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。
关键词
:电气工程
;毕业设计
;专业教学
;MA TLAB
中图分类号
: TP39119: G6421477 文献标识码
: A0106-04

SIMULINK Software

L I Hui

(College of Electrical Engineering , Chongqing Univrsity , Chong qing 400044, Ch ina)

in Professiona l Teach ing of Electr ica l Eng ineer ing for D iploma Projects
Abstract: Inordertoenhancetheabilityofthetheoryrelationtopracticefortheundergraduateofelectrical
engineeringfields, thecontentsandprinciplesofMATLAB simulationsoftwareareintroducedinthispa2 per. Asanexampleforgraduatedesign, theapplicationsofMATLAB .SIMUL INK simulation software in

A.C. adjustedspeedsystemswithSPWM controlmodeandD.C. motoradjustedspeedsystemswiththe
fuzzylogiccontrolmethodsarepresentedindetailinthispaper. Thesimulationresultsareshownthatitis
necessary toapplyinprofessionalteachingofelectricalengineeringwithMATLAB .SIMUL INK software,
thedesignevolvingofcontrolsystem andprofessionalknowledgeofelectricalengineeringcanbegrasped,
the abilityofanalysisand solutioncanbe improvedby theapplicationofMATLAB .SIMUL INK software.
Keywords:electricalengineering;graduate design;professional teaching;MATLAB
专业类教学涉及到电机学、自动控制理论、电力拖
0　引言动、微型计算机技术和电力电子技术等学科的广泛

仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以内容
,既要求学生能掌握电气工程的基础理论
,又要
及仿真应用领域的有关技术为基础
,以计算机系统求能掌握电气工程类专业研究问题的方法
,并且应
或应用有关的物理效应设备及仿真器为根据
,利用具备较强的动手实践能力。因此
,在目前有限的课堂
模型对系统进行研究的一门多学科的综合性技教学和实验学时内
,运用一定的仿真软件和计算机
术[1]。目前
,随着仿真技术的迅猛发展
,其应用已经技术
,使学生能更系统地掌握专业的

基本理论和控
渗透到工程技术的各个领域。电气工程及其自动化制系统的设计思想和方法
,培养学生科研能力
,是专

收稿日期
: 2002-08-21;修回日期
: 2003-01-10
作者简介
:李辉
(1974-) ,男,浙江永康人
,在职博士
,讲师
,从事新型电机及其控制的教学和研究工作。



. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.


第
25卷第
1期 李　辉
:MA TLAB.SIMUL INK软件在电气工程类专业毕业设计教学环节中的应用


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 TLAB .SIMUL INK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　M ATLAB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
MAT 2 LAB 41X、MA TLAB 51X等基于
W INDOW S系统
的版本
,目前已经达到了
MA TLAB 612版本。
MA TLAB软件除了强大的数值计算功能外
,还具

2　M ATLAB.SIM UL INK软件在毕
业设计专业教学环节中的应用

有强大的仿真分析功能
,如
SIMUL INK的建模和
题的建模和分析能力。
环节角度探讨该仿真软件在电气工程类教学中的应
仿真。
SIMUL INK是MA TLAB软件下的一个附加用,从而培养本科生应用所学专用知识提高工程问
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211　基于
M ATLAB的
SPWM交流调速系统的仿

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 TLAB .SIMUL INK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

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
,SIMUL INK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 TLAB .SIMUL INK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。


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 TLAB . SIMUL INK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。


图
1　SPWM控制方式的感应电动机变频调速系统的仿真模型



. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.


图2　电机转速矩响应曲线
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;
图2　电机转速矩响应曲线
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;
电气电子教学学报
25卷


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
PI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。


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 TLAB .SIMUL INK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
:

中SIMUL INK对系统进行仿真,进而分析常规P ID(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
(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
P N= 5hp ,额定电压
U N = 240V ,额定电枢电流
IN=

图
3　电机电磁转矩响应曲线

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
PI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

1612A ,额定转速
n r = 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
PI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



定状态
,图
2所示的转速波图
4　双闭环直流电动机调速系统的模糊控制模型


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图5　转子角速度响应曲线
而采用常规P ID,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M A TLAB . S IM U L IN K仿真软件的应用,但是M A 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M A TLAB仿真软件是非常有必要的,
图5　转子角速度响应曲线
而采用常规P ID,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M A TLAB . S IM U L IN K仿真软件的应用,但是M A 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M A TLAB仿真软件是非常有必要的,
第
25卷第
1期 李　辉
:MA TLAB.SIMUL INK软件在电气工程类专业毕业设计教学环节中的应用



图
7　转子角速度响应曲线

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
8　电枢电流响应曲线
图
5和图
6为电枢电阻增加
模糊控制对电枢电阻增加时的控制效果影响不大
,10%
从仿真曲线可以看出
时的转速响
应曲线和电枢电流响应曲线
,,
,

图
6　电枢电流响应曲线

通过
MA TLAB .SIMUL INK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。

参考文献
:

[1]　王沐然等
1Sim ulink4建模及动态仿真
[M ]1北京
:电子工业出
版社
, 2002
[2]　柴瑞娟
1MA TLAB语言在自动控制原理教学中的应用
[J ]1南
京:电气电子教学学报
, 2001, 23 (6): 25～
26
[3]　沈艳霞等
1MA TLAB在电力电子学仿真中的应用
[J ]1无锡
:
无锡轻工大学学报
, 2001 (4): 03～
06
[4]　陈伯时
1电力拖动自动控制系统
[M ] 1北京
:机械工业出版
社, 1999
. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.