手把手教你学Simulink——基于Simulink的直流电机（DC Motor）仿真建模示例
目录
从零开始学习Simulink——利用Simulink对直流电机进行仿真建模的过程
一、背景介绍
二、所需工具和环境
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
步骤2：构建直流电机模型
步骤3：连接电路与控制器
步骤4：设置仿真参数
步骤5：添加观测器
步骤6：运行仿真并分析结果
四、总结
从零开始掌握Simulink仿真技术——深入解析直流电机（DC Motor）的建模与仿真流程
在各种控制系统中得到广泛应用的执行器，在 Simulink 平台中我们可以对直流电机的行为进行建模与仿真分析。从而深入分析其在不同输入条件下的动态特性。本指南将详细介绍如何使用 MATLAB/Simulink 对一个简单的直流电机系统进行建模，并深入分析其动态行为。
一、背景介绍
直流电机概述 ：
-
直流电机的基本运行机制是由于电枢绕组中的电流而产生磁场这一过程，并且该磁场与永久磁铁或电磁场相互作用从而产生转矩。
- 其数学模型一般包含电感效应、电阻损耗以及机械负载的影响等。
仿真目标 ：
- 开发并构建一个直流电机模型。
- 施加电压信号以监测电机速度与电流响应的变化情况。
- 研究在各种负载条件下直流电机性能的变化趋势。
二、所需工具和环境
为了完成此直流电机仿真实现，你需要以下工具和环境：
MATLAB/Simulink 被用来设计系统模型并执行仿真过程； Simscape Electrical 作为 Simscape Power Systems 的替代品，则提供了一整套工具来进行电力电子电路的构建和评估
确保你已经安装了上述工具箱，并且拥有有效的许可证。
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
首先，在MATLAB中启动Simulink并创建一个新的空白模型。
matlab
深色版本
% 创建新的Simulink模型
modelName = 'DCMotorSimulation';
new_system(modelName);
open_system(modelName);步骤2：构建直流电机模型
在Simulink环境中，我们可以利用Simscape Electrical模块组来搭建直流电机模型。当分析简化后的直流电机系统时，在电路分析中应着重探讨电枢回路的电压方程以及相关的机械运动学方程。
该系统中增添电压源装置、电阻元件、电感组件以及相应的增益单元等。这些核心组件包括：反电动势系数K_b、转矩放大环节K_t、角速度积分器以及阻尼系数b及转动惯量J等基本单元。
matlab
深色版本
% 添加电源
add_block('simscapewelectrical/Elements/DC Voltage Source', [modelName '/Voltage_Source']);
set_param([modelName '/Voltage_Source'], 'Voltage', '12'); % 设置电源电压值
% 添加电阻和电感
add_block('simscapewelectrical/Elements/Resistor', [modelName '/Armature_Resistor']);
set_param([modelName '/Armature_Resistor'], 'R', '0.5'); % 设置电阻值
add_block('simscapewelectrical/Elements/Inductor', [modelName '/Armature_Inductor']);
set_param([modelName '/Armature_Inductor'], 'L', '0.01'); % 设置电感值
% 添加增益模块代表反电动势常数K_b和转矩常数K_t
add_block('simulink/Math Operations/Gain', [modelName '/Back_EMF_Gain']);
set_param([modelName '/Back_EMF_Gain'], 'Gain', '0.01'); % 假设K_b=0.01
add_block('simulink/Math Operations/Gain', [modelName '/Torque_Gain']);
set_param([modelName '/Torque_Gain'], 'Gain', '0.01'); % 假设K_t=0.01
% 添加积分器计算角度
add_block('simulink/Continuous/Integrator', [modelName '/Angular_Velocity_Integrator']);
% 添加增益模块代表阻尼系数b和惯性J
add_block('simulink/Math Operations/Gain', [modelName '/Damping_Gain']);
set_param([modelName '/Damping_Gain'], 'Gain', '0.1'); % 假设b=0.1
add_block('simulink/Math Operations/Gain', [modelName '/Inertia_Gain']);
set_param([modelName '/Inertia_Gain'], 'Gain', '1'); % 假设J=1步骤3：连接电路与控制器
基于直流电机的物理模型,正确配置各组组件以构建完整的电路回路和机械动力学方程组
matlab
深色版本
% 连接电气部分
add_line(modelName, [modelName '/Voltage_Source'], ...
[modelName '/Armature_Resistor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Armature_Resistor'], ...
[modelName '/Armature_Inductor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Armature_Inductor'], ...
[modelName '/Back_EMF_Gain'], 'autorouting', 'on');
% 连接机械部分
add_line(modelName, [modelName '/Torque_Gain'], ...
[modelName '/Damping_Gain'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Damping_Gain'], ...
[modelName '/Inertia_Gain'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Inertia_Gain'], ...
[modelName '/Angular_Velocity_Integrator'], 'autorouting', 'on');步骤4：设置仿真参数
根据需要调整仿真时间、求解器类型和其他相关参数。
matlab
深色版本
% 设置仿真参数
set_param(modelName, 'StopTime', '5'); % 模拟运行时间为5秒
set_param(modelName, 'Solver', 'ode23t'); % 使用适度刚性求解器步骤5：添加观测器
为了深入分析系统的响应特性，在实验中可以引入示波器（Scope）来监测或跟踪电机的电流强度和角速度的变化情况。
matlab
深色版本
% 添加示波器观察输出
add_block('simulink/Sinks/Scope', [modelName '/Current_Scope']);
add_line(modelName, [modelName '/Armature_Inductor'], ...
[modelName '/Current_Scope'], 'autorouting', 'on');
add_block('simulink/Sinks/Scope', [modelName '/Speed_Scope']);
add_line(modelName, [modelName '/Angular_Velocity_Integrator'], ...
[modelName '/Speed_Scope'], 'autorouting', 'on');步骤6：运行仿真并分析结果
在执行完前述步骤后，在启动仿真前，请点击工具栏中的'Run'按钮以开始仿真实验操作。随后，请监测电机的速度与电流响应，并根据仿真结果对模型参数进行进一步优化或探索不同形式的输入条件
四、总结
按照本指南所述内容，我们讲解了如何利用Simulink搭建直流电机模型，并对其进行了仿真验证过程。主要涵盖的内容有：
- 背景介绍：掌握直流电机的工作原理及其在不同领域的应用。
- 所需工具和环境：列出进行仿真过程中所需的主要工具及运行环境。
- 步骤详解：从零开始构建一个集成电气回路分析、机械动力学方程求解以及可视化展示的完整系统方案。
- 性能评估：通过系统输出曲线的具体观察结果来分析电机的动力学响应特性，并探讨如何根据实际需求优化模型参数设置。