【文章內(nèi)容簡介】 層次的繪畫命令，也包括可以修改圖形及編制完整圖形界面的，低層次 的繪畫命令。 （ 3） 功能強(qiáng)大的工具箱。工具可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實時交互的功能。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如優(yōu)化工具箱，統(tǒng)計工具箱，控制工具箱，小波工具箱，圖像處理工具箱，通信工具箱等。 （ 4） 易于擴(kuò)充。除內(nèi)部函數(shù)外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可修改源文件和加入自己的文件，他們可以與庫函數(shù)一樣被調(diào)用。MATLAB 由主包和功能各異的工具箱組成，其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣。正如其名“矩陣實 驗室”， MATLAB 起初主要是用來進(jìn)行矩陣運(yùn)算的。 經(jīng)過 MathWorks 公司的不斷完善，時至今日， MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺的功能強(qiáng)大的大型軟件。 MATLAB 提供了一種科學(xué)工程計算的高級語言，是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析算法開發(fā)的 開發(fā) 環(huán)境。 MATLAB7 針對編程環(huán)境、代碼效率、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)學(xué)計算、文件 I/O 等方面進(jìn)行了升級，概括起來有以下幾個方面： （ 1）窗體：重新設(shè)計的桌面環(huán)境，針對多文檔界面應(yīng)用提供了簡便的管理和訪問方法；增強(qiáng)數(shù)據(jù)編輯器和工作空間瀏覽器的功能；增強(qiáng)了 M 文件編輯器，支持多格式 源文件代碼分析。 （ 2）編程：支持創(chuàng)嵌套和匿名函數(shù)功能，同時增強(qiáng)了模塊化注釋的功能。 （ 3）數(shù)學(xué)：支持整數(shù)的算術(shù)運(yùn)算和單精度數(shù)學(xué)類型運(yùn)算。 （ 4）圖形：新的圖形窗體界面和圖形窗體注釋，同時使用了偵測工具，提供了豐富的數(shù)據(jù)觀測手段。 （ 5）接口：新增文件 I/O 函數(shù)，使得具有壓縮功能的 MAT 文件格式具備了支持快速數(shù)據(jù)文件 I/O的能力；支持 COM、 VBS、 SOAP、 FTP 和 Unicode 編碼格式。 9 Simulink 概述 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜 合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，只需要通過簡單的直接的操作，就能夠搭建出所需要的系統(tǒng)。 Simulink 具有適用性廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰、仿真精細(xì)、貼近現(xiàn)實、效率高、靈活性高等優(yōu)點，基于這些優(yōu)點 Simulink 已經(jīng)廣泛應(yīng)用到控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。 Simulink 是 MATLAB 中一種可視化的仿真工具，它基于 MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，被廣泛應(yīng)用在線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制以及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。在本實驗中主要應(yīng)用了它的圖形化用戶 界面進(jìn)行建模，只需要用鼠標(biāo)拖拉所需的原件即可完成建模。與其他的仿真需要的語言和程序相比簡便很多， Simulink 擁有全面的庫，如信號源、接收器、線性模塊、連接器等模塊，同時也能自己建立和定義所需的模塊，也可以雙擊模塊來修改或者了解相應(yīng)的細(xì)節(jié)參數(shù)，這樣讓我們更加深入了解模塊與整體模型的相互作用。 在定義一個模型后，就可以進(jìn)行仿真，使用 scope 顯示模塊就可以再模擬運(yùn)行中看到模擬結(jié)果，也可以通過改變其中的參數(shù)馬上看到相應(yīng)結(jié)果的改變，最后的仿真結(jié)果可以放到 MATLAB 工作空間來做后期的處理和可視化。 各 模塊功能簡介 Simulink 內(nèi)置 模型庫包含公共模型庫和專業(yè)模型庫： Simulink 的公共模型庫是 Simulink 中最 通用的模型庫，它可以應(yīng)用到不同專業(yè)，包括 16 個子模塊庫，例如： （ 1） Commonly Used Blocks(常用模型庫 ) 新版本的 Simulink 中，為了方便用戶使用，專門將常用的 22 種 模塊放在了常用模型庫中。這些常用的模型包括輸入模塊、輸出顯示模塊、連續(xù)（離散）系統(tǒng)積分模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊及信號路由模塊等； （ 2） Continuous（連續(xù)系統(tǒng)模型庫） (3） Discontinuity（不連續(xù)環(huán)節(jié)）等等 Simulink 的專業(yè)模型庫包括以下模型庫： 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 10 （ 1）航空航天模型庫（ Aerospace Blockset） （ 2)控制系統(tǒng)模型庫（ Control System Toolbox） 面向控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析，主要提供線性時不變系統(tǒng)的模塊。 (3)數(shù)字信號處理模型庫（ DSP Blockset） 模塊、 DSP 數(shù)學(xué)函數(shù)庫、量化器模塊、信號管理模塊、信號操作模塊、統(tǒng)計模塊和信號變換模塊等。 (4)Simulink 附加 模型庫（ Simulink Extras） (5)函數(shù)示例模型庫 (Sfunction demos)等等 本次課程設(shè)計主要用到公共模型庫中的下列幾個模塊： 模塊主要用到 Library 庫中 Dc Machine、 Dc Voltage Source、 Scope， Series RLC Branch、Voltage Measurement、 Constant 等模塊 （ 1） Dc Machine：電力 系統(tǒng)工具箱內(nèi)直流電仿真模塊如下圖 4 所示，這一模塊仿真他勵直流電動機(jī)，電樞電路包括電感 aL 和電阻 aR 以及串聯(lián)的反接電動勢 E 。 E 與電機(jī) 轉(zhuǎn)速 n 成正比式中 Ke 為電壓常數(shù)，他勵直流電動機(jī)中 Ke 正比于 勵 磁電流fI ，式中 afL 為互感常數(shù) nKeE ?? （ 18） faf ILKe ?? （ 19） 電磁扭矩 Te正比于電樞電流 aI ，式中 Kt 為扭矩常數(shù)，扭矩常數(shù)等于電壓常數(shù)。 Te的符號規(guī)定： Te0 為發(fā)電機(jī)模式 ,Te0 為電動機(jī)模式。 aIKtTe ?? （ 110） 電樞電路和勵磁電路由 Power 庫中的模塊組成，電樞電路位于輸入端 A+和輸出端 A之間，由 RLC 支路、可控電源以及電流測量模塊串接而成。勵磁電路位于輸入端 F+和輸出端 F之間，由 RLC 支路構(gòu)成，機(jī)械部分通過加載到轉(zhuǎn)子上的凈扭矩計算直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n。其中 Tl 是負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入， m 為測量參數(shù)輸出， A+為電樞繞組正， F+為勵磁繞組正， A為電樞繞組負(fù)， F為勵磁繞組負(fù)。直流電機(jī)的他勵連接方式見圖 5： 本實驗中，從 m端引出的線路有 4 條參數(shù)，從上至下的是轉(zhuǎn)速（ n）、電樞電流、勵磁電流以及轉(zhuǎn)矩。 11 （ 2） Dc Voltage Source：直流電壓源模塊，用于輸入穩(wěn)定的直流電源負(fù)責(zé)給直流電機(jī)供電。 （ 3） Series RLC Branch： RLC 串聯(lián)分支模塊實現(xiàn)了一個電阻、電感或電容或它們的串聯(lián)組合。使用分支類型參數(shù)來選擇需要的要的分支包括的元素，實現(xiàn)了一個模塊多種功能用途，只能作為支路串在電路中，切記不可以作為負(fù)載，負(fù)載有專門的負(fù)責(zé)模塊，只能作為支路串在電路中，切記不可以作為負(fù)載，負(fù)載有專門的負(fù)責(zé)模塊。 圖 4 Dc Machine 圖 5 直流電機(jī)的他勵連接 圖 6 Dc Voltage Source 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 12 （ 4） Ideal Switch:理想開關(guān) 當(dāng) g 端為 0 時，開關(guān)閉合；反之，開關(guān)斷開，在本實驗中，我 們把階躍信號作為理想開關(guān)的控制信號。 （ 5） Constant： 常數(shù)模塊，可于參數(shù)設(shè)定中更改數(shù)值，得到不同的輸入電壓 （ 6） Gain:增益模塊，起放大作用 圖 7 Series RLC Branch 圖 8 Ideal Switch 圖 9 Constant 13 （ 7） Scope：輸出波形觀測模塊，用于顯示輸出波形 ,對輸出的參數(shù)信號進(jìn)行波形仿真，并顯示出來。 在本實驗中，總共有 4 個參數(shù)信號，分別為電樞電壓、轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩。并且示波器中的輸出波形也是按照這個順序顯示 的。 （ 8） Voltage Measurement：電壓測定模塊 圖 10 Gain 圖 11 Scope 圖 12 Voltage Measurement 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 14 第 2 章：他勵直流電動機(jī)啟動方式的仿真與分析 他勵直流電動機(jī)的啟動 他勵直流電動機(jī)啟動時，為保證有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩及啟動時轉(zhuǎn)速不過高，應(yīng)使磁通為額定值，且勵磁回路絕對不允許短路。 電動機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速逐漸上升，最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程稱為啟動。電動機(jī)在啟動過程中，電樞電流 aI 、電磁轉(zhuǎn)矩 emT 、轉(zhuǎn)速 n 都隨時間變化，是一個過渡過程。開始啟動的一瞬間，轉(zhuǎn)速等于零，這時的電樞電流稱為啟動電流，用 stI 表示，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩，用 stT 表示。一般對直流電動機(jī)的啟動有如下要求： (1)啟動轉(zhuǎn)矩足夠大（ lst TT? 的電動機(jī)才能順利啟動） (2)啟動電流 stI 要限制在一定的范圍內(nèi) (3)啟動設(shè)備操作方便，啟動時間短，運(yùn)行可靠，成本低廉 他勵直流電動機(jī)的啟動方式 直接啟動的概念及原理： 他勵直流電動機(jī)啟動時 [9]，為了產(chǎn)生較大的啟動轉(zhuǎn)矩及不讓啟動后的轉(zhuǎn)速過高，應(yīng)該滿磁通啟動，即勵 磁電流為額定值，使每極磁通為額定值。因此啟動時勵磁回路不能穿有電阻，而且絕對不允許勵磁回路出現(xiàn)斷路。 他勵直流電動機(jī)若加額定電壓 NU ,且電樞回路不串電阻，即直接啟動，正如前面分析，啟動的瞬間，由于機(jī)械慣性，電動機(jī)轉(zhuǎn)速 n 為 0，電樞繞組感應(yīng)電動勢 aE 為 0，啟動電流Ns II?? ，啟動轉(zhuǎn)矩 NS TT ?? 。由于電流過大，使電機(jī)出現(xiàn)換向不良，產(chǎn)生火花，甚至正負(fù)電刷間產(chǎn)生電弧，燒毀電刷架。另外，啟動轉(zhuǎn)矩過大，還會造成機(jī)械撞擊，以至于損壞傳動機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械。因此，除了額定功率在數(shù)百瓦下的微型直流電動機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻 aR 大、轉(zhuǎn)動慣量比較小這些特點可以直接啟動 外，一般直流電動機(jī)都不允 15許直接啟動的。 nCE ea ?? （ 21） aNs RUI? （ 22） sntS ICT ?? （ 23） 為了 解決以上的相關(guān)問題，下面將分別介紹他勵直流電動機(jī)其他的四種啟動方式： 電樞電路串電阻啟動、降壓啟動、分級啟動、軟啟動。 電樞電路串電阻啟動 實際中，串電阻啟動由于其啟動設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠性高，同時可以做到平滑快速的啟動，因而得到廣泛應(yīng)用。但是對于不同類型和規(guī)格的直流電動機(jī)，對起動電阻的級數(shù)要求也不盡相同。 下面是他勵直流電動機(jī)電樞回路串電阻起啟動過程分析： 如圖 1(1)所示，當(dāng)電動機(jī)已有磁場時，給電樞電路加電源電壓 U 。觸點 KM KM2均斷開 ,電樞將串入了電阻值為 21 KK RR ? 的電阻 ,因此電樞回路總電阻為 21 KKa RRr ?? 。即啟動電流為： 21 KKaS RRr UI ??? （ 24） 啟動電流所對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩為 1T 。對應(yīng)于由電阻所確定的人為機(jī)械特性如圖 1(2)中的曲線 1 所示。 根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的基本運(yùn)動方程式 ： dtdJTLT ??? （ 25） 式中 T —— 電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 16 TL —— 由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩； J —— 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量； (1) 電路圖 (2) 特性圖 圖 1 直流他勵電動機(jī)串電阻的電路和特性 由于起動轉(zhuǎn)矩 1T 大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL ，電動機(jī)受到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由 0 逐漸上升，電動機(jī)開始啟動。在圖 1(2)上，由 a 點沿曲線 1 上升，反電動勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到 b 點時，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點 KM1 閉合，切除一段起動電阻 1KR 。 b 點所對應(yīng)的