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摘要：针对电力拖动系统工程实践性强的特点，将Matlab的Simulink /SPS引入到“电力拖动基础”课程实验教学，给出了Simulink/SPS在转速、电流双闭环直流调速系统中的应用实例，实践证明该方法促进了学生对教学内容的理解和掌握，提高了学生的创新能力、分析和解决问题的能力，效果良好。
关键词：Simulink /SPS；电力拖动；计算机仿真；实验教学
作者简介：林金星（1978-），男，江苏淮安人，南京邮电大学电气工程系，讲师；谢俊（1979-），男，安徽安庆人，南京邮电大学电气工程系，副教授。（江苏 南京 210046）
基金项目：本文系南京邮电大学教学改革研究项目（项目编号：JG00510JX55）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0165-02
“电力拖动基础”是高等院校电类及自动化类一门重要的专业基础课程，它综合了“电机”、“自动控制原理”、“电力电子技术”等课程相关知识，具有较强的理论性和实践性。该课程旨在通过对各种直流调速系统的学习，培养学生的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。实验在课程教学中占有十分重要的地位，通过实验不仅可验证各直流调速系统理论分析的结果，加强对理论的认识，更重要的是培养学生的实际动手能力。[1，2]
南京邮电大学“电力拖动基础”课内实验存在着不少问题：首先，实验内容“单调”、“被动”，安排的3次实验都属于验证性实验，难以充分激发学生的兴趣；其次，由于元器件老化、损毁，现有的MCL系统电力电子及电气传动实验台损坏严重，目前只剩下30%能够调节出理想的实验结果及波形，严重影响了教学质量。针对上述问题，迫切需要采用新的教学方法和手段，提高实验教学质量，为学生创新思维创造条件。
Matlab/Simulink下的电气系统模块SimPowerSystems（SPS）[3]为电力拖动系统提供了一个极好的软件仿真平台，它提供了一种面向电气结构图的建模方法，可方便地构建出电力拖动系统的动态仿真模型，直观形象，仿真精度高，当涉及控制系统设计时其优势更为突出。为此，我们采用SPS开发电力拖动仿真系统来辅助教学，加深学生对系统原理结构以及相关概念的认识与理解，提高学生的学习兴趣，有效弥补硬件实验条件的不足。
一、SimPowerSystems（SPS）简介
SimPowerSystems 是Matlab/Simulink 中的一个专用模块集，它包含了电力电子、电力传动和电力系统等电工学中常用的元器件和设备仿真模型。SPS 由以下6个子模块库组成：电子元器件库，包括二极管、简化/复杂晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT 和通用逆变桥路（Universal Bridge）等；电源库，包括交、直流电压源、交流电流源、三相可控电压源和可控电流源等；电力机械库，包含完整或简化形式的异步电机、同步电机、永磁同步电机、直流电机等模型；基本元件库，包含RLC支路和负载、线性和饱和变压器、电路分离器、传输线模型等；测量模块库，包括电压、电流和电抗测量、RMS测量、abc到dq0和dq0到abc轴系变换、连续/离散同步6-、12-脉冲发生器等；附加模块库。
SPS中各模块的数学模型都基于成熟的电磁和机电方程，并且用标准的电气符号表示。利用SPS中的各模块组可以像实际电路接线一样方便地搭建出电气系统仿真模型，仿真结果可信度很高。以下通过一个转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的仿真实例来阐述Simulink/SPS在电力拖动基础实验教学中的应用。
二、Simulink/SPS在实验教学中的应用实例
转速、电流双闭环直流调速系统是电力拖动基础的重要内容，它具有良好的动态响应性能和抗干扰能力，在工程设计中被广泛地采用。虽然直流调速理论发展得比较成熟，但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度。[4]基于Simulink/SPS的转速、电流双闭环不可逆直流调速系统仿真模型的整体结构如图1所示。[5]该系统由主电路和控制电路组成，主电路由对称三相交流电源（A、B、C）、三相全控式晶闸管整流桥、同步6-脉冲触发器、移相控制环节、平波电抗器、直流电动机等部分组成；其控制电路包括转速比例、积分调节器ASR（PI）、电流比例、积分调节器ACR（PI）以及转速负反馈和电流负反馈滤波环节。
系统各模块仿真参数如下[5，6]：转速给定信号10.22V；转速反馈系数0.007；6-脉冲触发器同步电压频率50Hz，脉冲宽度10°；平波电抗器电感值5mH；直流电动机额定参数UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min；励磁电压220V；整流电路电枢电感La=0.016H，励磁电阻Rf=146.7 ohms，电枢绕组合励磁绕组互感Laf=0.84H，电动机转动惯量J=0.57kg·m2；ACR调节器kpi=1.013，τ=0.039，调节器输出上下限幅值为[-100，100]；ASR调节器kpi=11.7，τ=0.87，调节器输出上下限幅值为[-10，10]；其他没有说明的为系统默认参数。
当设置好参数后，采用ode23s算法。图2和3分别给出了电动机转速响应曲线和电枢电流响应曲线，从中可以看出基于Simulink/SPS的双闭环直流调速仿真系统的起动过程同样经历了电流上升、恒流调节、转速调节3个阶段。每1个阶段转速和电流的变化都和转速、电流双闭环直流调速系统的理论分析结果[7]是一致的。
根据课程的难点和重点，我们利用还Simulink/SPS开发了教材[7]中的若干典型直流调速系统仿真模型，例如带电流截止负反馈的晶闸管–电动机单闭环直流调速系统、转速、电流双闭环可逆直流PWM 调速系统等，限于篇幅，这里不在介绍。
三、结论
实践表明，将基于Simulink /SPS的仿真实验应用于“电力拖动基础”实验教学，能使学生对各种直流调速系统结构及工作原理具有更直观的认识，加深、巩固了理论基础知识；此外，通过让学生参与设计仿真实验，不仅激发了学生的学习兴趣，更好地培养学生的独立思考能力和自主创新能力。在实验条件不足的情况下，将教学内容与仿真方法相结合是一条值得推广的途径。
参考文献：
[1]张兴华.Simulink/PSB 在“运动控制系统”实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2006,25(9):1077-1080.
[2]木合亚提·伊克山.“电力拖动自动控制系统”课程实验的改革[J].实验室研究与探索,2010,29(12):131-133.
[3]SimPowerSystems TM 5 User's Guide[M].The MathWorks,Inc.2005.
[4]尚丽,淮文军.基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J].实验室研究与探索,2010,29(6):66-71.
[5]尚丽,崔鸣,陈杰.Matlab /Simulink仿真技术在双闭环直流调速实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2011,30(1):181-185.
[6]卢健康,王泽锋.双闭环调速系统设计方法的改进及其仿真[J].系统仿真技术,2010,6(1):29-32.
[7]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2005.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：Simulink /SPS；电力拖动；计算机仿真；实验教学
作者简介：林金星（1978-），男，江苏淮安人，南京邮电大学电气工程系，讲师；谢俊（1979-），男，安徽安庆人，南京邮电大学电气工程系，副教授。（江苏 南京 210046）
基金项目：本文系南京邮电大学教学改革研究项目（项目编号：JG00510JX55）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0165-02
“电力拖动基础”是高等院校电类及自动化类一门重要的专业基础课程，它综合了“电机”、“自动控制原理”、“电力电子技术”等课程相关知识，具有较强的理论性和实践性。该课程旨在通过对各种直流调速系统的学习，培养学生的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。实验在课程教学中占有十分重要的地位，通过实验不仅可验证各直流调速系统理论分析的结果，加强对理论的认识，更重要的是培养学生的实际动手能力。[1，2]
南京邮电大学“电力拖动基础”课内实验存在着不少问题：首先，实验内容“单调”、“被动”，安排的3次实验都属于验证性实验，难以充分激发学生的兴趣；其次，由于元器件老化、损毁，现有的MCL系统电力电子及电气传动实验台损坏严重，目前只剩下30%能够调节出理想的实验结果及波形，严重影响了教学质量。针对上述问题，迫切需要采用新的教学方法和手段，提高实验教学质量，为学生创新思维创造条件。
Matlab/Simulink下的电气系统模块SimPowerSystems（SPS）[3]为电力拖动系统提供了一个极好的软件仿真平台，它提供了一种面向电气结构图的建模方法，可方便地构建出电力拖动系统的动态仿真模型，直观形象，仿真精度高，当涉及控制系统设计时其优势更为突出。为此，我们采用SPS开发电力拖动仿真系统来辅助教学，加深学生对系统原理结构以及相关概念的认识与理解，提高学生的学习兴趣，有效弥补硬件实验条件的不足。
一、SimPowerSystems（SPS）简介
SimPowerSystems 是Matlab/Simulink 中的一个专用模块集，它包含了电力电子、电力传动和电力系统等电工学中常用的元器件和设备仿真模型。SPS 由以下6个子模块库组成：电子元器件库，包括二极管、简化/复杂晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT 和通用逆变桥路（Universal Bridge）等；电源库，包括交、直流电压源、交流电流源、三相可控电压源和可控电流源等；电力机械库，包含完整或简化形式的异步电机、同步电机、永磁同步电机、直流电机等模型；基本元件库，包含RLC支路和负载、线性和饱和变压器、电路分离器、传输线模型等；测量模块库，包括电压、电流和电抗测量、RMS测量、abc到dq0和dq0到abc轴系变换、连续/离散同步6-、12-脉冲发生器等；附加模块库。
SPS中各模块的数学模型都基于成熟的电磁和机电方程，并且用标准的电气符号表示。利用SPS中的各模块组可以像实际电路接线一样方便地搭建出电气系统仿真模型，仿真结果可信度很高。以下通过一个转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的仿真实例来阐述Simulink/SPS在电力拖动基础实验教学中的应用。
二、Simulink/SPS在实验教学中的应用实例
转速、电流双闭环直流调速系统是电力拖动基础的重要内容，它具有良好的动态响应性能和抗干扰能力，在工程设计中被广泛地采用。虽然直流调速理论发展得比较成熟，但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度。[4]基于Simulink/SPS的转速、电流双闭环不可逆直流调速系统仿真模型的整体结构如图1所示。[5]该系统由主电路和控制电路组成，主电路由对称三相交流电源（A、B、C）、三相全控式晶闸管整流桥、同步6-脉冲触发器、移相控制环节、平波电抗器、直流电动机等部分组成；其控制电路包括转速比例、积分调节器ASR（PI）、电流比例、积分调节器ACR（PI）以及转速负反馈和电流负反馈滤波环节。
系统各模块仿真参数如下[5，6]：转速给定信号10.22V；转速反馈系数0.007；6-脉冲触发器同步电压频率50Hz，脉冲宽度10°；平波电抗器电感值5mH；直流电动机额定参数UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min；励磁电压220V；整流电路电枢电感La=0.016H，励磁电阻Rf=146.7 ohms，电枢绕组合励磁绕组互感Laf=0.84H，电动机转动惯量J=0.57kg·m2；ACR调节器kpi=1.013，τ=0.039，调节器输出上下限幅值为[-100，100]；ASR调节器kpi=11.7，τ=0.87，调节器输出上下限幅值为[-10，10]；其他没有说明的为系统默认参数。
当设置好参数后，采用ode23s算法。图2和3分别给出了电动机转速响应曲线和电枢电流响应曲线，从中可以看出基于Simulink/SPS的双闭环直流调速仿真系统的起动过程同样经历了电流上升、恒流调节、转速调节3个阶段。每1个阶段转速和电流的变化都和转速、电流双闭环直流调速系统的理论分析结果[7]是一致的。
根据课程的难点和重点，我们利用还Simulink/SPS开发了教材[7]中的若干典型直流调速系统仿真模型，例如带电流截止负反馈的晶闸管–电动机单闭环直流调速系统、转速、电流双闭环可逆直流PWM 调速系统等，限于篇幅，这里不在介绍。
三、结论
实践表明，将基于Simulink /SPS的仿真实验应用于“电力拖动基础”实验教学，能使学生对各种直流调速系统结构及工作原理具有更直观的认识，加深、巩固了理论基础知识；此外，通过让学生参与设计仿真实验，不仅激发了学生的学习兴趣，更好地培养学生的独立思考能力和自主创新能力。在实验条件不足的情况下，将教学内容与仿真方法相结合是一条值得推广的途径。
参考文献：
[1]张兴华.Simulink/PSB 在“运动控制系统”实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2006,25(9):1077-1080.
[2]木合亚提·伊克山.“电力拖动自动控制系统”课程实验的改革[J].实验室研究与探索,2010,29(12):131-133.
[3]SimPowerSystems TM 5 User's Guide[M].The MathWorks,Inc.2005.
[4]尚丽,淮文军.基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J].实验室研究与探索,2010,29(6):66-71.
[5]尚丽,崔鸣,陈杰.Matlab /Simulink仿真技术在双闭环直流调速实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2011,30(1):181-185.
[6]卢健康,王泽锋.双闭环调速系统设计方法的改进及其仿真[J].系统仿真技术,2010,6(1):29-32.
[7]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2005.
（责任编辑：王祝萍）