基于Matlab/GUI的直流调速系统虚拟实验平台

张厚升，王洪刚，于兰兰，李震梅

（山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049）

直流调速系统是山东理工大学自动化与电气专业的基础课程，该课程的特点是理论性、实践性、综合性和工程型都很强[1-3]，但内容比较抽象，学生较难掌握直流调速系统的工作原理和动态分析。此前开设的直流调速系统实验课程局限于传统的验证性实验，且设备集成度较高、操作较复杂、可扩展性较差，难以开展综合性、创新性实验。

为了突破传统实验的局限性，利用Simulink强大的仿真功能和GUI简单便捷的可视化界面，搭建并实现了直流调速系统的虚拟实验仿真平台[4-12]。该平台包括10个不同类型的子实验系统，覆盖了课程所要求的全部实验内容并进行了拓展，可视化的用户界面简单友好，具有交互功能，并且方便设置实验参数，方便信息化教学的推广。

1 虚拟实验平台的设计思路

直流调速系统虚拟实验平台的设计，不但要满足课程内容与实验教学的要求，还要满足灵活性、可靠性、简单性、实用性与可扩展性的要求，据此规划了虚拟实验平台的设计思路：

（1）建立底层直流调速系统Simulink仿真模型，依据不同直流调速系统的原理，建立并优化Simulink仿真模型，各子实验系统的仿真算法一般都采用ode23tb 算法[13-15]；

（2）建立虚拟实验平台的友好用户界面，合理安排各控件，通过编写对象的回调函数实现实验功能[6-7]，设计的 GUI界面主要包括平台主界面和各实验子系统界面。

2 虚拟实验平台的功能与结构

直流调速系统虚拟实验平台的设计主要针对主界面和直流调速系统的10个子实验系统，每个子实验系统都有其独立的实验界面，可以查看仿真模型、设置实验参数并进行仿真实验，可以通过示波器实时显示实验波形。用户可以进行参数的修改或重置，得到更多的仿真实验结果。

直流调速系统虚拟实验平台的界面包括主界面和子实验系统操作界面，虚拟实验平台的系统框架如图1所示。

主界面显示10子实验系统供用户选择，虚拟实验平台的子系统界面对应着调速系统的仿真界面。各子实验系统的主要功能基本相同，界面设置相似。为了方便用户了解仿真模型，在每个子系统界面打开时，操作区域左侧都会自动显示相应的 Simulink仿真模型，用户可以根据仿真模型进行参数的设置。当输入参数不在合理范围内时，系统自动弹出警告窗口并将参数清空，以确保系统在正确参数配置情况下进行仿真实验。如果用户未设置参数，则各波形显示按钮无法使用，从而避免用户的误操作。如果用户需要进行多次仿真，可以使用参数重置按钮改变实验参数。各个子实验系统能够查看的仿真波形选项如表1所示。

图1 直流调速系统虚拟实验平台系统框

表1 直流调速系统虚拟实验平台子实验系统波形监测项

直流调速系统虚拟实验平台以 Matlab/Simulink仿真软件为开发/设计工具，采用Matlab/GUI与M语言进行实验平台的主界面和子实验系统界面的设计，采用Simulink进行10个直流调速系统系统的建模与仿真。下文以“实验2 单闭环有静差转速负反馈调速系统”为例说明虚拟实验平台的设计/开发过程。

3 底层仿真模型的搭建

在Simulink模型库中提取相应模块，建立单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型，如图2所示，将该模型文件命名为 youjingcha.mdl。系统由三相电源、整流器、脉冲触发器、放大器、直流电机和转速反馈环节构成[1-2,14-15]。转速反馈环节由转速经反馈系数α与给定信号比较产生偏差信号，再经过比例放大器传送到同步脉冲触发器产生触发脉冲，用来控制整流器产生整流电压。因为每次仿真过程中给定信号固定不变，因此采用Constant模块并将参数值设为10。整流后得到的电压并不是真正的直流电压，需要经过平波电抗器防止电流突变。

搭建好仿真模型后，根据直流电机参数设置转速反馈系数和比例调节器放大系数Kp，直流电机及其他参数设置如表2所示。

图2 有静差转速负反馈调速系统的仿真模型

表2 直流电机及其他参数设置

4 虚拟实验平台人机交互界面的设计

根据实验平台的总体设计和功能分析，主界面主要用来显示实验平台名称和选择子实验系统，平台界面设计时力图简洁大方。首先将 Static Text、Push Button和 Axes等组件添加到新建的空白界面中，保存时将文件命名为 maingui.fig。每个系统对应一个按钮，最后设置关闭平台按钮。需要对所有控件的Units属性设置为 normalized，以保证在界面最大化运行时控件也会进行相应变化。

因为主界面与子系统界面存在联系，编程时需要调用子界面的信息。所以需要先将各子实验系统的GUI界面.fig文件分别命名为 next1.fig、next2.fig、……next10.fig，方便主界面编程时调用。在界面Output函数中设置窗口最大化，便于用户清晰地观察界面。然后利用函数调用各子系统仿真界面，并设置关闭主界面。

子系统界面分为2部分，如图3所示。

图3 子实验系统界面

（1）界面左侧为波形显示区域，主要用来放置波形和图片显示，该区域上方用显示实验子系统的名称；波形显示区先显示仿真模型，完成仿真后用来显示各种波形。

（2）界面右侧为用户操作区域，主要用来输入参数和放置波形按钮。按钮的功能包括重置参数、开始仿真、各种波形显示、返回主界面和关闭平台等。静态文本主要用来显示系统名称，可输入参数名称及参数最优值等；可编辑文本框供用户输入仿真实验的主要参数。子系统界面也需要将所有控件的 Units属性设置为 normalized，保证在界面最大化运行时控件也会进行相应变化。

根据设计要求，利用 imshow函数显示 Simulink仿真模型图片，利用set_pama设置模型中的模块属性值，利用Simout函数获取示波器的仿真数据，然后通过plot函数绘制示波器相关波形，分别编写next1.m，next2.m，…，next10.m的内部程序实现系统仿真和波形显示等功能。

5 虚拟实验平台仿真实例测试

5.1 基础功能操作测试

在主界面点击“单闭环有静差转速负反馈调速系统”按钮，即可打开系统GUI界面，初始状态下，各种波形按钮为锁定状态，界面左侧区域会自动显示系统仿真模型。如果用户正确输入仿真参数然后点击“开始仿真”按钮，仿真模型开始运行，并出现进度条提示。实验完成后，界面会提示系统仿真完成，可以查看各种波形。此时各相应的波形按钮均在解锁状态，可以查看在该组参数下的各种波形。如果用户输入的参数不在允许范围内，系统则自动弹出警告窗口并清除错误参数。

为了方便用户使用，若需要进行多组参数仿真，点击“参数重置”按钮后，参数会被清空，波形按钮又会被锁定，输入参数后可再次运行。若需返回主界面或者退出实验平台可点击相应按钮。

5.2 系统界面波形显示功能的运行调试

在单闭环有静差转速负反馈调速系统界面中输入相应仿真参数，例如：给定电压为10 V；TL加载时间为3 s，加载值为100 N·m；比例放大器系数为0.5。然后运行仿真，仿真完成后，相关波形按钮解锁。

仿真完成后系统中直流电机转速响应如图4（a）所示。转速很快上升并达到稳态，在3 s时电动机转速开始下降并保持稳定。但因为采用转速反馈调速，转速降落明显减少。

电枢电流波形仿真波形如图4（b）所示，电流在开始启动时很大，随后下降并达到稳定状态；3 s 施加负载，电枢电流也随之增大并保持稳定。

图4（c）为转矩响应的波形，其变化过程类似于电枢电流。

电枢电压如图4（d）所示，基本上稳定在恒定的电压值，在负载变化后，只是有较小的上升。

图4 单闭环有静差转速负反馈调速系统仿真波形图

6 结语

经过对单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真验证，说明该直流调速系统虚拟实验平台的可行性、可靠性与实用性，与传统实验教学过程相比具有以下优势：

（1）可视化效果好，直且能对各直流调速系统进行动态、稳态的仿真分析与验证，有利于学生对课程知识的理解与应用，有利于学生进行创新实验；

（2）已开发 10个直流调速系统仿真模型，以此为基础，可以拓展出更多的仿真模型，涵盖整个直流调速系统的所有知识点，有利于教师合理安排实验教学和进行翻转课堂教学；

（3）平台的功能完善、操作简单、利于扩展，可以对直流调速系统不同参数下的动态特性进行仿真分析与研究；采用Simulink建模，采用GUIDE与M语言进行界面设计，便于后期维护与扩展。