1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 I 摘 要 基于 Matlab 的 SIMULINK/GUI 平台的各种功能能够更好的帮助 学生以及相应的研究人员完成不同项目的实验，可以设计出一个能够操作方便快捷，实验内容清晰了解的仿真实验界面。 本文介绍通过 Matlab 的 GUI 平台设计出一个实验界面，再通过 Matlab 的simu
2、link 制作出相应直流电动机与异步电机的各种实验仿真模块，并设定这些模块的电机参数、仿真时间以及相关的其他参数后，与实验界面相连接，能够使得用户能够在实验界面上选择自己所需要的试验项目，并且能够看到相应实验相关内容以及实验仿真模块的仿真结果曲线。 关键词 ： Matlab， GUI，直流电机，异步电机， Simulink 基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 II Based on SIMULINK / GUI platform motor simulation system - DC motor and induction motor si
3、mulation experiment Abstract Matlab based on the SIMULINK / GUI platform features to better help students and researchers in the corresponding experiments of different projects to complete， you can design a fast and convenient to operate the experiment a clear understanding of the content of simulat
4、ion interface. This article describes the platform through Matlabs GUI interface to design an experiment， and through the production of the corresponding Matlabs simulink DC motors and induction motors of various experimental simulation module， and set the motor parameters of these modules， simulati
5、on time and other relevant parameters With the experimental interface connected to the interface allows users to select the experimental pilot projects they need， and be able to see relevant content and the corresponding experimental simulation results of experimental simulation module curves. Keywo
6、rds： Matlab， GUI， DC motor， Induction motor， Simulink 基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 III 目 录 摘 要 . . Abstract. 引 言 .1 1.MATLAB 软件的介绍 . 2 1.1 MATLAB 的特点 . 2 1.2 Simulink 工具箱 . 2 1.3 GUI 图形用户界面 . 2 2.设计软件的选用与总体设计 . 4 2.1 选用 MATLAB 软件的理由 . 4 2.2 课题的研究的基本方案以及意义 . 5 2.3 设计的基本步骤 . 6 3.GUI 图形用
7、户界面的设计 . 7 3.1 GUI 图形用户界面的介绍 . 7 3.2 GUI 图形用户界面的基本要求与注 意事项 . 11 3.3 GUI 图形用户界面的基本建立 . 11 4.Simulink 的设计 2 2 5.直流电机与异步电机的介绍 . 25 5.1 直流电机 .2 5 5.1.1 直流电动机的起动 .2 5 5.1.2 直流电动机的调速 .2 6 5.1.3 直流电动机的制动 .2 7 5.2 异步电机 .30 结 论 . 30 参 考 文 献 . 31 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附 录 .3 4 基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步
8、电机实验仿真 1 引 言 在电机被发明出来这之后的 19 世纪六七十年代， 各种不同类型的机器开始由电力进行带动，人类社会从此进入了一个全新的电气时代。而在 20 世纪四，五十年代随着新科学技术革命的开始，以原子能技术，电子计算机技术和航空航天技术为主要代表，其中还包 括人工合成材料，分子生物学和遗传工程等其他高新技术，电力电子伴随着美国发明世界上第一台计算机，现代信息技术出现开始发展，这样就使得更多电力电子系统可以通过使用计算机来进行传输控制。而且电机的种类也随着信息技术的发展也越来越多，其精度也越来越高。 而在现在科学技术飞速发展的今天，越来越多的各种不同精度的先进电机机械被制人们造出来，
9、并且有更多的先进的技术被运用在各个领域，这就使得科技更快地向前发展。也要求人们拥有更多的相关知识来能够保证各类电机的正常使用工作。比如在自动控制的领域，自动控制原理的技术则要求根据控 制系统的需要去选择合适的状态矩阵，工程师要等拥有具体实践应用几年之后的经验，他们才能相当熟练的去选择这些矩阵。学生在一个实习期或学校的学期学习过程中不可能有哪么好的实践条件 1。而同样的在电机课程的学习过程之中，在学校期间的教学或者各种实践环节都只能够简单地提供了给学生一些便于理解的知识或者让他们去直接掌握课程中的那些抽象的理论概念，而无法做到将实际的现场现象相结合进行一些有效的演示，并且在传统的电机课程的实验课
10、程中存在一些弊端 :其实验设备的高度集成化，直接导致了这些设备可扩展性差 ;由于实验内容根据课本的 内容来制定，致使实验形式十分陈旧，无法真正的满足实验的要求，更加难以达到促进课程理论教学的目的 ;并且因为在校期间的学时有限，很多高校的实验室又不是对学生完全开放性的，这就让学生要在有限时间之内掌握和巩固在课堂上学到的内容较为困难 2。所以学生无法从这些方面改变来直接的去获得更多的实践经验，但又不可能让他们直接的在各种工厂等地方实践，由于他们没有各种经验，这给会带来一定的危险性。所以在校的的学生、老师或者是一些从事危险性较高试验的工作者都可以考虑通过 MATLAB 软件来达到学习、计算、仿真、试
11、验各种不同类型电 机等等的目的。 基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 2 1.MATLAB 软件的介绍 由 Mathworks 公司开发的 MATLAB 软件的中文名为矩阵实验室。此软件作为面向各个工程和科学运算的交互式计算软件，已经经过近二十年的发展与竞争、完善，直到今天已成为了国际公认的最优秀的科技应用软件。 MATLAB 可以进行 矩阵 运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处 理与通讯、 图像处理 、 信号检测 、金融建模设计与分析等领域。它的最新版本为 7.12（
12、R2011a）。此次设计采用的是该软件的 7.1.0 版本。 1.1 MATLAB 的特点 所使用的 MATLAB 具有三大的特点 :首先是该软件功能强大，它包括了各种的数值计 算、符号计算和计算结果，并能够有编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算等等多种功能 ;其次是 MATLAB 环境的运行界面友好、语言自然， MATLAB 是以复数矩阵为计算单元，指令的表达与标准教科书的数学表达式相近，不必等通过编程等步骤再运行 ;最后是 MATLAB 环境的开放性强，此软件具有很好的可扩充性，用户完全可以把它当作一种高级的语言来使用，在使用它的时候能够十分容易地编写出各种通用或专用应用的程序
13、3。不仅仅如此MATLAB 软件不但提供了大量的涉及各种工程领域的工具箱以用来简化科学计算、工程设计和分析 等工作，还提供了可以对图形用户界面 (GUI)的支持条件，这样就能够将数据或计算结果用图形来表示出来，能够将数据特征或性能直观地体现在用户面前 4。它为所有人提供一个能够自由进行学习的平台，而且仿真数据真实，没有任何危险性。 1.2 Simulink 工具箱 MATLAB 软件中 Simulink 平台是一种可视化仿真工具， 它是基于 MATLAB的框图设计环境，并能够实现动态系统建模、仿真和分析的一个仿真软件，可以广泛应用在各种 线性系统 、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿
14、真。Simulink 平台可以进行连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模仿真，也可以在多速率系统中的不同部分进行具有不同的采样速率。 1.3 GUI 图形用户界面 MATLAB 软件提供的 GUI 图形用户界面可以用来制作该仿真系统的界面的各个基础的方面，包括文字与图片插入，按钮链接，图像的输出等等，其开发界基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 3 面清晰简洁，设计按键十分全面，还拥有通过编辑 M 文件对应代码改变相应的界面功能，通过 GUI 图形用户 界面结合 Simulink 平台可以建立一个模型方块图，能够创建出动态系统的
15、对应模型，而建立一个模块 的 图的图形用户界面 (GUI) ，整个创建的过程只需要用户通过单击与拖动鼠标进行相关操作就能够完成，它就为用户提供了一种更加快捷、简单明了的方式，可以立即得观测到系统的仿真结果。 基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 4 2.设计软件的选用与总体设计 2.1 选用 MATLAB 软件的理由 MATLAB软件能够快速、正确、安全地来仿真、计算、记录各种的复杂系统。举例来说，在现实中的异步 电动机一般工作时间很长、并且连续运转处于恶劣环境的工作状态中，因此电动机的 故障不可避免。异步电动机的故障不仅会损坏电机本身的结构，
16、而且更严重地会影响到整个传动系统，还可能造成重大损失甚至灾难性的恶果 5。所以必须在使用时要对各种不同型号的异步电动机进行相应的研究，了解其工作的特性。首先异步电动机的工作特性是指在异步电动机工作在额定电压和频率，异步电动机的转差率 s、转速 n、负载转矩 2T 、定子电流 1I 、功率因数 cos及效率和输出功率 2P 的关系曲线，就是反应 s、 n、 2T 、 1I 、 cos的大小。一般对中小型异步电动机这类型采用直接负载法进行测定就可以得到这些数据了。但是对大型异步电动机来说，它在制造厂或现场进行负载的实验都是比较困难的，所以在通常情况下都会是采用试探法由等效电路和参数计算出其工作特性
17、和运行数据。但是使用这种方法的计算工作量很大，一般为了达到工程上的要求都需要经过几次迭代才能够保证 6。并且异步电动机在起动的时候，如果感异步电动机处于静止状态的情况，那么由于高压变 频器的频率是可以从零开始上升，所以电动机是能够实现软起动的。起动电流一般情况下能够限制在额定电流以下。但是，如果在起动之时，电动机还处于旋转状态，那么必须要求高压变频器的输出频率与电动机的转速所产生的同步频率两者基本相等，否则会发生使电动机的滑差变大，以至于产生高压变频器过电流故障的情况。另外，在发生供电系统瞬时停电欠压的时候，变频器一般会立即停止输出，直到电源恢复之后才恢复输出。在大型的拖动系统当中，特别是有采
18、用风机的场合下，其转子以及其所带负载的转动惯性都十分巨大的，在旋转状态到静止状态的自由停车的过程 所需要的时间从几十分钟到几个小时不等。如果是因为电网的原因变频器掉电之后再上电的话，这时候电动机的转子仍然处于自由旋转的状态，而由于变频器只能够在静止状态起动，这样就会造成不可估计的经济损失，而这种情况在很多场合如石油化工等出现 7。通过使用 MATLAB软件来进行仿真与计算，就能够不需要直接在现场通过实验来记录数据，可以避免数据的各种误差，减轻计算时的复杂性，还有就是避免可能发生的各种不良事故。不仅仅是异步电机如此， 随着近年来永磁体材料和大功率开关器件的快速发展，直流电机应用领域开始变得更加广
19、阔，大功率的 推进用永磁无刷直流电机也在逐渐地应用到国内外各种航行器中 8。而永磁对转无刷直流推进电机的电枢绕组部分和永磁体部分两者都是相对于电机基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 5 支架旋转的，且永磁体转子与电枢转子的转向正好相反，这是它在结构上与普通的永磁无刷直流电机最大的不同之处。因此，分析并建立出这种永磁对转无刷直流推进电机的仿真模型，可以对验证电机设计参数的合理性是否满足、确定电机控制的正确策略以及研究电机的各种运行特性来讲都具有重要的指导作用 9。除此之外，还有在过去仿真光伏发电系统的时候，大多建模都是按照准稳态理论来对系统的各
20、部件进行构建， 然后再对系统功率潮流进行计算，从而评价出该系统的长期稳态性。但是，在光伏并网发电系统动态性能的研究的过程中，上述的模型均无法正确的反映出太阳能辐射强度和环境温度发生变化的时刻，光伏电站运行状态的瞬态变化和这种变化对电网的相应的影响。因而需要建立出光伏电池阵列的动态仿真模型 10。 这些仿真模型也都可以通过 MATLAB环境来进行操作、建立。 2.2 课题的研究的基本方案以及意义 介于现在 MATLAB 软件在教学的运用越来越广泛，特别是在机电与控制领域的课程上使用次数越来越多，所以希望能通过建立一个实验仿真系统， 使它能够实现电机实验的各种不同实验项目要求，并且需要到达各种准确
21、性的指标，操作该仿真系统时不需要改变参数就能生成实验项目需要输出的曲线，操作方式更加简便，减小对地域以及时间的限制性，使学生不仅仅只能在实验室才能进行相关的实验，即使是实验课时不够，实验场地受限，实验设备老旧，也能让学生在课余时间从容地进行各种实验项目的开展。 11 由于 MATLAB 软件拥有强大的设计仿真功能，完全能仅仅通过一个MATLAB 软件来制作这个实验仿真系统。该仿真系统的界面的各个基础的方面，包括文字与图片插入，按钮链接，图像的输出等 等可以用 MATLAB 软件提供的GUI 界面开发平台来制作，并通过编辑 M 文件改变相应的界面功能。 MATLAB软件的 SIMULINK 仿真
22、平台，它为用户提供了实验所需要的各种元件封装，为用户在制作仿真系统无需再自行制作相应的原件，让各种实验在建立仿真时更加得方便。然后将再通过 MATLAB 软件将两个部分进行处理，制作成一个完整的实验仿真系统。由于是使用 MATLAB 软件，那么就不再需要去学习其他的计算机语言，所以制作此次实验仿真系统的难点就在于如何去使用 MATLAB 软件，因为 MATLAB 软件功能繁多，制作时要选取自己所 需要的功能来制作仿真系统，还需要了解在 GUI 界面开发部分制作界面时，界面文件各个代码的添加与修改的位置，在使用 SIMULINK 仿真平台制作实验仿真时，各个元件的选择与元件参数的设置，以及仿真时
23、各元件的放置与出现错误时的相应处理。需要预期达到的目标要求就是设计出一个实验仿真系统并使其完善，使得该系统与真实的实验内容及其结果基本相同，还要符合现实的实际情况，并且操作时需要简便，易上基于 SIMULINK/GUI 平台设计电机仿真实验系统 -直流电机与异步电机实验仿真 6 手，能够很容易的观察到实验结果，使它能够运用到正常的多媒体教学过程中去，更主要的是弥补在电机实验过程中的教学漏洞，扩展在教学阶段中的 实验途径，促进了学生对电机实验的认识，加深了对电机课程知识的理解。 1219 2.3 设计的基本步骤 首先是使用 GUI 的设计界面进行整个仿真系统的显示界面设计，并且针对界面中的每项文
24、字标记，各种数据显示以及相应的电路图的图片可以进行合理的规划与制作，使得在实验仿真操作时可以运用各种按键去切换相应的显示状态，并通过设定相应的选项链接，来将各个不同的实验项目进行连接，使它们在仿真时可以相互切换；其次利用 SIMULINK 仿真设计平台进行直流电机与异步电机实验仿真，将各种类型的直流电机与异步电机实验的情况制作成 不同的文件，其中每个文件均需要记录详细的参数设置，合理的线路安排，使文件在仿真运行时能够正确的输出实验数据以及相应的曲线；最后整合仿真界面和仿真文件将两者合并起来，通过编辑 GUI 设计出的界面产生的对应 M 文件，将 simulink 的仿真文件与其对应界面的各项显示以及按钮对应添加上的链接，并且通过在 M 文件的相应语句下添加与修改对应的代码，这样就能解决相应的界面最大化显示、输出显示的切换以及仿真运行的后台运行等问题。 2022
