基于Matlab/GUI的直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺

張厚升，王洪剛，于蘭蘭，李震梅

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

直流調(diào)速系統(tǒng)是山東理工大學(xué)自動化與電氣專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程的特點(diǎn)是理論性、實踐性、綜合性和工程型都很強(qiáng)[1-3]，但內(nèi)容比較抽象，學(xué)生較難掌握直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和動態(tài)分析。此前開設(shè)的直流調(diào)速系統(tǒng)實驗課程局限于傳統(tǒng)的驗證性實驗，且設(shè)備集成度較高、操作較復(fù)雜、可擴(kuò)展性較差，難以開展綜合性、創(chuàng)新性實驗。

為了突破傳統(tǒng)實驗的局限性，利用Simulink強(qiáng)大的仿真功能和GUI簡單便捷的可視化界面，搭建并實現(xiàn)了直流調(diào)速系統(tǒng)的虛擬實驗仿真平臺[4-12]。該平臺包括10個不同類型的子實驗系統(tǒng)，覆蓋了課程所要求的全部實驗內(nèi)容并進(jìn)行了拓展，可視化的用戶界面簡單友好，具有交互功能，并且方便設(shè)置實驗參數(shù)，方便信息化教學(xué)的推廣。

1 虛擬實驗平臺的設(shè)計思路

直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺的設(shè)計，不但要滿足課程內(nèi)容與實驗教學(xué)的要求，還要滿足靈活性、可靠性、簡單性、實用性與可擴(kuò)展性的要求，據(jù)此規(guī)劃了虛擬實驗平臺的設(shè)計思路：

（1）建立底層直流調(diào)速系統(tǒng)Simulink仿真模型，依據(jù)不同直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，建立并優(yōu)化Simulink仿真模型，各子實驗系統(tǒng)的仿真算法一般都采用ode23tb 算法[13-15]；

（2）建立虛擬實驗平臺的友好用戶界面，合理安排各控件，通過編寫對象的回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)實驗功能[6-7]，設(shè)計的 GUI界面主要包括平臺主界面和各實驗子系統(tǒng)界面。

2 虛擬實驗平臺的功能與結(jié)構(gòu)

直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺的設(shè)計主要針對主界面和直流調(diào)速系統(tǒng)的10個子實驗系統(tǒng)，每個子實驗系統(tǒng)都有其獨(dú)立的實驗界面，可以查看仿真模型、設(shè)置實驗參數(shù)并進(jìn)行仿真實驗，可以通過示波器實時顯示實驗波形。用戶可以進(jìn)行參數(shù)的修改或重置，得到更多的仿真實驗結(jié)果。

直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺的界面包括主界面和子實驗系統(tǒng)操作界面，虛擬實驗平臺的系統(tǒng)框架如圖1所示。

主界面顯示10子實驗系統(tǒng)供用戶選擇，虛擬實驗平臺的子系統(tǒng)界面對應(yīng)著調(diào)速系統(tǒng)的仿真界面。各子實驗系統(tǒng)的主要功能基本相同，界面設(shè)置相似。為了方便用戶了解仿真模型，在每個子系統(tǒng)界面打開時，操作區(qū)域左側(cè)都會自動顯示相應(yīng)的 Simulink仿真模型，用戶可以根據(jù)仿真模型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)輸入?yún)?shù)不在合理范圍內(nèi)時，系統(tǒng)自動彈出警告窗口并將參數(shù)清空，以確保系統(tǒng)在正確參數(shù)配置情況下進(jìn)行仿真實驗。如果用戶未設(shè)置參數(shù)，則各波形顯示按鈕無法使用，從而避免用戶的誤操作。如果用戶需要進(jìn)行多次仿真，可以使用參數(shù)重置按鈕改變實驗參數(shù)。各個子實驗系統(tǒng)能夠查看的仿真波形選項如表1所示。

圖1 直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺系統(tǒng)框

表1 直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺子實驗系統(tǒng)波形監(jiān)測項

直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺以 Matlab/Simulink仿真軟件為開發(fā)/設(shè)計工具，采用Matlab/GUI與M語言進(jìn)行實驗平臺的主界面和子實驗系統(tǒng)界面的設(shè)計，采用Simulink進(jìn)行10個直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的建模與仿真。下文以“實驗2 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)”為例說明虛擬實驗平臺的設(shè)計/開發(fā)過程。

3 底層仿真模型的搭建

在Simulink模型庫中提取相應(yīng)模塊，建立單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示，將該模型文件命名為 youjingcha.mdl。系統(tǒng)由三相電源、整流器、脈沖觸發(fā)器、放大器、直流電機(jī)和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成[1-2,14-15]。轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)由轉(zhuǎn)速經(jīng)反饋系數(shù)α與給定信號比較產(chǎn)生偏差信號，再經(jīng)過比例放大器傳送到同步脈沖觸發(fā)器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，用來控制整流器產(chǎn)生整流電壓。因為每次仿真過程中給定信號固定不變，因此采用Constant模塊并將參數(shù)值設(shè)為10。整流后得到的電壓并不是真正的直流電壓，需要經(jīng)過平波電抗器防止電流突變。

搭建好仿真模型后，根據(jù)直流電機(jī)參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和比例調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kp，直流電機(jī)及其他參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖2 有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

表2 直流電機(jī)及其他參數(shù)設(shè)置

4 虛擬實驗平臺人機(jī)交互界面的設(shè)計

根據(jù)實驗平臺的總體設(shè)計和功能分析，主界面主要用來顯示實驗平臺名稱和選擇子實驗系統(tǒng)，平臺界面設(shè)計時力圖簡潔大方。首先將 Static Text、Push Button和 Axes等組件添加到新建的空白界面中，保存時將文件命名為 maingui.fig。每個系統(tǒng)對應(yīng)一個按鈕，最后設(shè)置關(guān)閉平臺按鈕。需要對所有控件的Units屬性設(shè)置為 normalized，以保證在界面最大化運(yùn)行時控件也會進(jìn)行相應(yīng)變化。

因為主界面與子系統(tǒng)界面存在聯(lián)系，編程時需要調(diào)用子界面的信息。所以需要先將各子實驗系統(tǒng)的GUI界面.fig文件分別命名為 next1.fig、next2.fig、……next10.fig，方便主界面編程時調(diào)用。在界面Output函數(shù)中設(shè)置窗口最大化，便于用戶清晰地觀察界面。然后利用函數(shù)調(diào)用各子系統(tǒng)仿真界面，并設(shè)置關(guān)閉主界面。

子系統(tǒng)界面分為2部分，如圖3所示。

圖3 子實驗系統(tǒng)界面

（1）界面左側(cè)為波形顯示區(qū)域，主要用來放置波形和圖片顯示，該區(qū)域上方用顯示實驗子系統(tǒng)的名稱；波形顯示區(qū)先顯示仿真模型，完成仿真后用來顯示各種波形。

（2）界面右側(cè)為用戶操作區(qū)域，主要用來輸入?yún)?shù)和放置波形按鈕。按鈕的功能包括重置參數(shù)、開始仿真、各種波形顯示、返回主界面和關(guān)閉平臺等。靜態(tài)文本主要用來顯示系統(tǒng)名稱，可輸入?yún)?shù)名稱及參數(shù)最優(yōu)值等；可編輯文本框供用戶輸入仿真實驗的主要參數(shù)。子系統(tǒng)界面也需要將所有控件的 Units屬性設(shè)置為 normalized，保證在界面最大化運(yùn)行時控件也會進(jìn)行相應(yīng)變化。

根據(jù)設(shè)計要求，利用 imshow函數(shù)顯示 Simulink仿真模型圖片，利用set_pama設(shè)置模型中的模塊屬性值，利用Simout函數(shù)獲取示波器的仿真數(shù)據(jù)，然后通過plot函數(shù)繪制示波器相關(guān)波形，分別編寫next1.m，next2.m，…，next10.m的內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)仿真和波形顯示等功能。

5 虛擬實驗平臺仿真實例測試

5.1 基礎(chǔ)功能操作測試

在主界面點(diǎn)擊“單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)”按鈕，即可打開系統(tǒng)GUI界面，初始狀態(tài)下，各種波形按鈕為鎖定狀態(tài)，界面左側(cè)區(qū)域會自動顯示系統(tǒng)仿真模型。如果用戶正確輸入仿真參數(shù)然后點(diǎn)擊“開始仿真”按鈕，仿真模型開始運(yùn)行，并出現(xiàn)進(jìn)度條提示。實驗完成后，界面會提示系統(tǒng)仿真完成，可以查看各種波形。此時各相應(yīng)的波形按鈕均在解鎖狀態(tài)，可以查看在該組參數(shù)下的各種波形。如果用戶輸入的參數(shù)不在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)則自動彈出警告窗口并清除錯誤參數(shù)。

為了方便用戶使用，若需要進(jìn)行多組參數(shù)仿真，點(diǎn)擊“參數(shù)重置”按鈕后，參數(shù)會被清空，波形按鈕又會被鎖定，輸入?yún)?shù)后可再次運(yùn)行。若需返回主界面或者退出實驗平臺可點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕。

5.2 系統(tǒng)界面波形顯示功能的運(yùn)行調(diào)試

在單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)界面中輸入相應(yīng)仿真參數(shù)，例如：給定電壓為10 V；TL加載時間為3 s，加載值為100 N·m；比例放大器系數(shù)為0.5。然后運(yùn)行仿真，仿真完成后，相關(guān)波形按鈕解鎖。

仿真完成后系統(tǒng)中直流電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖4（a）所示。轉(zhuǎn)速很快上升并達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在3 s時電動機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降并保持穩(wěn)定。但因為采用轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速，轉(zhuǎn)速降落明顯減少。

電樞電流波形仿真波形如圖4（b）所示，電流在開始啟動時很大，隨后下降并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；3 s 施加負(fù)載，電樞電流也隨之增大并保持穩(wěn)定。

圖4（c）為轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的波形，其變化過程類似于電樞電流。

電樞電壓如圖4（d）所示，基本上穩(wěn)定在恒定的電壓值，在負(fù)載變化后，只是有較小的上升。

圖4 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仿真波形圖

6 結(jié)語

經(jīng)過對單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真驗證，說明該直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗平臺的可行性、可靠性與實用性，與傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程相比具有以下優(yōu)勢：

（1）可視化效果好，直且能對各直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)、穩(wěn)態(tài)的仿真分析與驗證，有利于學(xué)生對課程知識的理解與應(yīng)用，有利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實驗；

（2）已開發(fā) 10個直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，以此為基礎(chǔ)，可以拓展出更多的仿真模型，涵蓋整個直流調(diào)速系統(tǒng)的所有知識點(diǎn)，有利于教師合理安排實驗教學(xué)和進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)；

（3）平臺的功能完善、操作簡單、利于擴(kuò)展，可以對直流調(diào)速系統(tǒng)不同參數(shù)下的動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析與研究；采用Simulink建模，采用GUIDE與M語言進(jìn)行界面設(shè)計，便于后期維護(hù)與擴(kuò)展。