使用SimPowerSystem的直流双闭环调速系统仿真解析.docx

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使用SimPowerSystem的直流双闭环调速系统仿真解析

内蒙古科技大学

本科生课程设计论文

题目：

使用SimPowerSystem的

直流双闭环调速系统仿真

2013年10月31日

内蒙古科技大学课程设计任务书

课程名称

控制系统仿真

设计题目

使用SimPowerSystem的直流双闭环调速系统仿真

指导教师

时间

2013年10月28日至11月1日

一、教学要求

1、直流电机调速系统的基本工作原理；

2、通过对直流电机调速系统的建模，掌握使用Matlab/SIMULINK软件及PowerSystem工具箱对直流调速系统的建模与仿真方法；

3、理解直流调速系统中，开环、转速单闭环及带电流截止副反馈的转速单闭环调速系统的工作原理，理解以上系统的启动过程电流、转矩、转速的变化，以及调速过程中转矩与转速的关系。

二、设计资料及参数

设计资料详见《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》（洪乃刚主编）6.3.1-6.3.2节；

本设计涉及到的控制原理、电力拖动自动控制系统等内容参考相关专业课教学内容。

设计参数：

见《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》（洪乃刚主编）6.3.1-6.3.2节；

三、设计要求及成果

1、利用SIMULINK及PowerSystem工具箱建立直流电动机转速电流双单闭环系统模型，并仿真；

2、设计速度调节器和电流调节器的参数；

3、分析以上仿真中，启动过程电流、转矩、转速的变化，以及调速过程中转矩与转速的关系。

通过示波器观察仿真结果，并结合电力拖动自动控制系统课程中的内容验证仿真的正确性;

4、撰写不少于3000字的设计报告。

设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部分，要求给出设计模型图以及仿真结果图。

相关Matlab/SIMULINK设计文件要求提交电子文档。

四、进度安排

收集和查阅资料（一天）

Matlab/SIMULINK建模（两天）

控制系统设计与优化（一天）

编写技术设计书（一天）

五、评分标准

课程设计成绩评定依据包括以下几点：

1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可行和优化（40%）；4）课程设计技术设计书编写水平（占30%）。

分为优、良、中、合格、不合格五个等级。

考核方式：

设计期间教师现场检查；评阅设计报告。

六、建议参考资料

1、《控制系统数字仿真与CAD》，李国勇，电子工业出版社，2003年9月第1版

2、《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》,洪乃刚，机械工业出版社，2006年5月第1版

3、《电力拖动自动控制系统》，陈伯时，机械工业出版社，1991年，第2版

4、《自动控制原理》上、下册，吴麒，清华大学出版社，1994.5第1版

摘要

转速、电流双闭环控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最为广泛的直流调速系统，是各种交流、直流电力拖动自动控制系统的重要基础；由于其具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，广泛应用于冶金、机床和矿山等各个行业，在电力拖动自动控制领域中发挥着极其重要的作用。

本设计采用工程设计的方法，对电流环和转速环分别进行设计，并根据实际要求对调节器的参数进行整定，利用SIMULINK及SimPowerSystem工具箱建立直流电动机转速、电流双闭环控制系统模型，并对系统进行了仿真，给出了电机在启动过程以及突加负载情况下的电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩变化以及调速过程中转矩与转速关系的波形，并对结果进行了分析，从而进一步说明双闭环调速系统的可行性与优越性。

关键词：

双闭环，MATLAB仿真，直流电机，调速系统

目录

摘要I

目录II

第一章引言1

1.1实训的背景1

1.2实训的意义1

1.3设计目标和技术参数1

1.3.1设计目标1

1.3.2技术参数1

第二章系统建模分析2

2.1交流电源的设计2

2.2晶闸管整流器2

2.3同步六脉冲发生器2

2.4移相控制环节3

第三章系统设计3

3.1仿真模型的建立3

3.2调节器参数的计算和设定4

3.2.1电流调节器的参数的计算和设定5

3.2.2转速调节器的参数的计算和设定6

第四章系统的仿真和结果分析7

4.1系统的仿真7

4.2仿真结果及分析7

4.2.1仿真结果7

4.2.2启动过程分析（0-0.4s）10

4.2.3突加负载，转速调节过程分析（0.4s-3s）10

4.2.4转矩随时间的变化10

4.2.5励磁电流随时间的变化10

4.2.6电动机的机械特性（转矩和转速之间的关系）10

第五章总结11

附录12

参考文献14

第一章引言

1.1实训的背景

转速、电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，其特点是，电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。

用经典的动态校正方法设计调节器需同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面互相矛盾的动态性能，要求设计者具有较丰富的经验和熟练的技巧，初学者难以很快掌握。

1.2实训的意义

美国Mathworks公司推出的MATLAB软件中的SIMULINK是很有特色的仿真环境，利用其进行转速、电流双闭环控制的直流调速系统的仿真是十分简单和直观的，SIMULINK提供了使用系统模型框图进行组态的仿真平台，使用SIMULINK进行仿真和分析可以像在纸上绘图一样简单。

通过用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并启动仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来，使设计者能够直观的根据波形修改各个调节器参数，最终使系统能够稳定，达到系统所要求的动、静态性能指标。

1.3设计目标和技术参数

1.3.1设计目标

●利用SIMULINK及SimPowerSystem工具箱建立直流电动机转速、电流双闭环系统模型，并仿真；

●设计转速调节器和电流调节器的参数，使系统稳定，空载启动到额定转速时的转速超调量

n%≤10%；并在1s时突加1/2额定负载。

1.3.2技术参数

转速、电流双闭环控制系统模型的参数如下：

三相电源：

峰值130*sqrt

（2）V，频率50Hz

晶闸管装置放大系数Ks=206

三相晶闸管整流电路平均失控时间Ts=0.0017s

电极电磁时间常数：

平波电抗器Ld=20mH

直流电动机：

额定电压UN=220V，额定电流IN=136A，额定转速nN=1460r/min，励磁电压Uf=220V，励磁绕组Rf=146.7Ω，励磁电感Lf=0，磁场与电枢互感Laf=0.84H，转动惯量J=0.57kg*m2，电动机电动势系数Ce=0.192V*min/r

电枢回路总电阻

过载倍数：

=1.5

取电流反馈滤波的时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s

取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V

额定转速给定Un*=10V

第二章系统建模分析

由于采用SimPowerSystem模型库模块，且其中的主电路部分包括交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节，所以应考虑主电路各个模块的电源，以及整流桥的选择、整流桥的触发电路以及直流电机的选择问题。

2.1交流电源的设计

本系统三相交流电源采用三个独立的交流电压源，采用Y型连接，并根据系统要求设置其峰值为130*sqrt

（2）V，频率为50Hz，且每两相的相位差为120°，即分别设置为0°、-120°、-240°。

2.2晶闸管整流器

由于系统无特殊要求，所以选取多功能桥式电路。

2.3同步六脉冲发生器

同步六脉冲发生器用于产生三相桥式整流电路晶闸管的触发脉冲，在一个周期内产生6个触发信号，每个触发信号的间隔为60°，并采用双脉冲触发方式，以保证电流断续时，整流桥上下臂各有一个晶闸管导通，并设置脉冲宽度为1°。

2.4移相控制环节

移相控制模块的输入是移相控制信号U，输出为控制角度。

移相特性的数学表达式为：

本系统选取

=30°，U=10V，即

。

第三章系统设计

3.1仿真模型的建立

转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图如图3.1所示。

图3.1转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图

根据转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图，提取各元器件的仿真模块，模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速直流调节器组成的控制电路两部分组成，其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用SimPowerSystem模型库模块，控制回路的主体是转速和电流两个调节器，以及反馈滤波环节，并连接各个模块，得到使用SimPowerSystem的直流双闭环调速系统仿真模型，其中转速直流调节器组成的控制电路如图3.2a所示，主电路部分如图3.2b所示，带饱和和输出限幅的PI调节器如图3.2c所示。

图3.2a转速直流调节器组成的控制电路

图3.2b主电路部分

图3.2c带饱和和输出限幅的PI调节器

3.2调节器参数的计算和设定

按照工程设计的方法来设计转速和电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。

首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

3.2.1电流调节器的参数的计算和设定

电流反馈系数：

由已知可得：

三相晶闸管整流电路平均失控时间：

Ts=0.0017s

电极电磁时间常数：

电流环的小时间常数为：

根据设计要求

i%≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：

式中

为电流调节器的比例系数

为电流调节器的超前时间常数

由下表3.1

根据设计要求

i%≤5%，应取

=0.5

电流调节器的超前时间常数：

=

=0.076s

电流环开环增益：

于是电流调节器的比例系数为：

则可得：

表3.1典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系KT

0.25

0.39

0.5

0.69

1.0

超调量

0%

1.5%

4.3%

9.5%

16.3%

3.2.2转速调节器的参数的计算和设定

电机转矩时间常数：

转速反馈系数：

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：

式中

为转速调节器的比例系数

为转速调节器的超前时间常数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：

其中

为：

于是可得ASR的比例系数

为：

由此可得到：

第四章系统的仿真和结果分析

4.1系统的仿真

根据系统要求，选用ode23tb（stiff/TR-BDF2）算法，仿真时间为3s，在1s时突加1/2额定负载，启动仿真。

4.2仿真结果及分析

4.2.1仿真结果

模型的仿真结果如图4.1所示

a）

b）

c）

d）

e）

图4.1仿真结果

a）转速响应b）电流响应c）转矩变化

d）励磁电流变化e）电动机的机械特性（转矩和转速之间的关系）

4.2.2启动过程分析（0-0.4s）

从电流波形（图4.1b）可以得到，电流从零上升到最大值Idm，然后一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降，由于1s前系统为空载运行状态，经过调节后达到零，并维持不变。

转速波形（图4.1a）先缓慢上升到最高且大于1460r/min，转速超调，电流给定变负，由于本系统为不可逆调速系统，晶闸管整流装置不能产生反向电流，这时电枢电流为零，电动机的电磁转矩也为零，没有反相制动转矩，因1s前系统为空载运行状态，所以电动机保持在最高转速状态。

在空载启动到额定转速时：

转速超调量：

满足系统的设计要求。

4.2.3突加负载，转速调节过程分析（0.4s-3s）

在1s时，系统通过Step模块突加1/2额定负载，电动机转速下降，电流调节器开始发挥作用，电流升高，电动机转速上升，产生超调。

转速超调后，ASR输出电压变负，使它开始退出饱和状态，U*和Id很快下降，但是由于Id大于IdL，转速继续上升，直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则

，转速n达到最大值，此后由于Id小于IdL，电动机开始在负载阻力的作用下减速，直到稳态。

4.2.4转矩随时间的变化

由于电动机转矩公式为：

所以转矩与电流成比例关系，即与电流变化趋势相同。

4.2.5励磁电流随时间的变化

励磁绕组由直流220V电源供电，所以励磁电流为恒值，if=1.5A。

4.2.6电动机的机械特性（转矩和转速之间的关系）

如图4.1e所示，从机械特性可以看到，在启动过程中电动机基本维持在最大转矩升速，在系统突加负载时，转速下降，转矩迅速增大，使电动机升速，当系统达到稳定后，转矩Te等于负载转矩，维持电动机转速的处于稳定的状态。

第五章总结

由于在工程设计方法中进行了相应的简化，忽略了一些其他干扰因素，仿真结果同实际系统之间有一定的差距，但是只要实际系统满足一定的条件，其输出结果就能够达到满意的效果，达到实际的要求。

利用MATLAB对系统进行仿真，不仅能够提高效率，大大节省系统开发时间，而且大大节约了成本。

附录

MATLAB绘制仿真图形程序如下：

clc

figure

（1）

plot（n（:

1）,n（:

2））

grid

title（'转速响应'）

xlabel（'t/s'）

ylabel（'n/（r/min）'）

figure

（2）

plot（Id（:

1）,Id（:

2））

grid

title（'电流响应'）

xlabel（'t/s'）

ylabel（'id/A'）

figure（3）

plot（Te（:

1）,Te（:

2））

grid

title（'转矩变化'）

xlabel（'t/s'）

ylabel（'Tl/（N*m）'）

figure（4）

plot（f（:

1）,f（:

2））

grid

title（'励磁电流变化'）

xlabel（'t/s'）

ylabel（'if/A'）

figure（5）

plot（Te,n）

grid

title（'电动机的机械特性（转矩和转速之间的关系）'）

xlabel（'Tl/（N*m）'）

ylabel（'n/（r/min）'）

参考文献

[1]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].北京：

机械工业出版社，2010

[2]陈伯时，阮毅.电力拖动自动控制系统[M].北京：

机械工业出版社，2009

[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：

机械工业出版社，2009

[4]吴麒.自动控制原理[M].北京：

清华大学出版社，2006

[5]李国勇.计算机仿真技术与CAD[M].北京：

电子工业出版社，2008