直流双闭环调速系统设计与仿真Word文件下载.docx
《直流双闭环调速系统设计与仿真Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流双闭环调速系统设计与仿真Word文件下载.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
直流电机的电磁时间常数比较小，这样使电枢电流能够快速的改变，从而使得电磁转矩能够达到快速响应。
不过，因为机械换向器的存在，使得直流电机中存在着比较明显的换向电流与速度的限制，这样导致了直流电机很难能够使用在腐蚀性较强与易燃易爆的场合。
伴随着各种微处理器的问世与发展，很多国家在直流电机调速系统技术方面的研究也在不断的进步，特别是上个世纪八十年代，达到了前所未有的境界。
当今的国外电气企业大致主要有：
德国的西门子公司、日本的三菱公司、东芝公司、瑞典的ABB公司、美国的GE公司等，均已开发出数字直流调速装置，有很多成熟的应用产品供选用。
在国内，数字式直流电机调速系统也是有很大的市场需求。
科研单位、大专院以及企业单位等，都在研究开发高性能的直流电机调速系统装置。
大型的直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现。
为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究。
如Garcia和Morari于80年代初提出内模控制的算法，由于它的设计原理简单、参数整定直观明了、鲁棒性强、控制性能好，在控制系统中得到广泛应用；
文提出用I-P控制器取代PI调节器的方法，它可以减小转速超调；
张井岗等人依据内模控制原理，提出了直流电动机调速系统的内模控制方法，针对直流双闭环电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能；
自适合PID算法和模糊PID算法等也是针对晶闸管触发脉冲的控制提出的改进算法，并得到广泛运用。
另外，姚勇涛等人依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，提出了直流电动机及直流调速系统的参数辨识的方法，所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。
朱新波基于模糊神经网络控制技术，设计了一种无刷直流电机的数字调速控制策略，具有很强的模糊推理和自学习能力，取得令人满意的动静态性能效果，具有很强的鲁棒性和自适应性，为无刷直流电机的智能控制提供了新的理论依据。
孙昌志等提出了一种基于嵌入式操作系统的无刷直流电机模糊控制系统设计方法，将模糊控制和PID控制通过自适应因子结合，在线自调整控制参数，提高了系统的控制精度且具有良好的动态性能。
归纳目前大量应用的调速控制系统，并对技术发展和应用需求进行全面分析之后，我们可以总结下列发展趋势：
（1）高频化。
在功率驱动装置中，低频的半控器件——晶闸管在中小功率范围将会被高频的全控器件——大功率晶体管所代替，这既可调提高性能，又可改善电网的功率因素。
（2）交流化。
由于交流电机本身的优势，交流调速系统取代直流调速系统已成为一种不可逆转的趋势。
随着交流调速系统成本的逐步降低，不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代；
而且，大量的原来恒速运行的交流传动系统将被改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域，也将采用交流调速系统。
（3）网络化。
微型处理器的研究与发展，使得数字式控制器更加的灵活简单，其同时也为联网提供了可能。
伴随着系统的规模不断扩大和系统的复杂性渐渐提高，单机控制系统不断减少，取而代之的则是大规模多机协同工作的高度自动化系统，这就需要计算机网络的支持，传达设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中或分散的生产过程实时监控。
（4）智能化。
借助于数字和网络技术，智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面，例如：
模糊控制、神经网络控制等。
各种智能观测器和辨识技术应用于电机控制系统中，大大改善了控制系统的性能，为电机控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能。
1.1.2调速控制系统的计算机仿真
调速控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性新型学科。
它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为工具，对系统进行实验研究的一种方法。
系统仿真就是用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究，而计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型。
因此，凡是要用模型进行实验的，几乎都可以用计算机仿真来研究被仿真系统的工作特点、选择最佳参数和设计最合理的系统方案。
伴随着计算机技术的不断发展，计算机仿真渐渐地取代了纯物理仿真，其为控制系统的计算分析、研究综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。
当前比较实用的控制系统的仿真软件是MATLAB，使用该仿真软件对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：
以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。
MATLAB软件由于其强大的功能，早己被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。
使用MATLAB软件对各种调速系统进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期。
直流电机调速系统仿真研究的内容包括系统的建模、性能分析、算法设计和优化参数等几个方面。
算法设计是仿真的一项重要应用。
研究者们可以通过仿真实现各种算法的控制器设计，利用仿真还可以优化系统参数。
就调速系统的MATLAB建模方式而言，主要有三种类型，即基于系统传递函数建模、面向电气原理图结构建模和编制MATLAB语言源程序建模。
其中前两种是在MATLAB/Simulink集成环境下建模。
这几种方式各有特点，研究者大多使用基于系统传递函数的建模方式。
这种方式建模依据系统各部分的传递函数直接建模，运行仿真的时间一般很短，往往在一两秒之间即出结果，非常快捷。
近年来，面向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法得到了越来越多的应用，以此进行各种直流调速系统的仿真，该方法由于使用了Simulink/PowerSystem工具箱中的电力模块，所以搭建的仿真模型正如其名称，与系统的电气原理图结构相似，很直观;
但系统模型规模较大，仿真时间较长。
由于MATLAB软件能够很好地对直流电机调速系统进行仿真，因此在本论文中，利用MATLAB特别是Simulink工具箱，构建直流电机调速系统的仿真模型，对直流调速方法的仿真实现、性能分析和算法设计做了深入的研究。
在研究方法上，考虑到上述提到的几种仿真方式的特点，进行了多种方式的仿真研究。
1.1.3直流调速控制系统的技术指标
不同的生产机械，因生产工艺的不同，对直流电机调速控制系统的性能指标要求也有所不同，归纳起来有下列三个方面:
（1）调节转速。
在允许的最低转速与最高转速的范围内，无级或者有级的调节转速。
（2）稳定转速。
以一定的精度在要求的转速上稳定运行，不因各种可能的外来扰动（负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。
（3）加速与减速的控制。
对频繁启、制动的设备要求尽可能快地加、减速，缩短启、制动时间，以提高生产效率;
对不宜经受剧烈速度变化的机械，则要求启制动尽可能的平稳。
1.2MATLAB仿真
MATLAB主要由MATLAB主程序、MATLAB工具箱和Simulink动态系统仿真三大部分组成。
其中主程序包括MATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五部分；
工具箱实际就是用MATLAB的基本语句编写的各种子程序集和函数库，用于解决某一方面的特定问题，实现某一类的新算法；
Simulink是一个用于动态系统建模、仿真和分析的集成软件包，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能动态地控制该系统。
目前的Simulink不仅可以进行线性系统仿真，也可以进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可实现离散时间系统甚至混合连续一离散时间系统的仿真，它还支持多制采样率的系统仿真；
此外，Simulink能够用MATLAB本身的语言、C语言或是FORTRAN语言，根据S函数的标准格式写成用户自定义的功能模块。
1.2.1MATLAB/Simulink建模特点
MATLAB软件因为它非常强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，己成为国际控制界最为流行的计算机辅助设计及教学工具软件。
长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即建立准确而快速地仿真模型是至关重要的。
然而MATLAB所提供的动态系统仿真工具Simulink，是众多的仿真软件中功能最强大、最容易使用的一种。
通过Simulink，从而将系统进行建模变得非常简便，且仿真的过程是交互的，因此，可以很随意地改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。
另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。
其能够建模和仿真的对象的类型非常广泛，可以是电子的、机械的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真的动态系统复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合类型的。
最近几年，随着计算机仿真软件的发展，调速系统的数学建模及其稳态性能和动态性能的仿真分析己成为对电机系统研究的一个重要方面。
运用MATLAB中的电力系统模块库可以将电气传动控制系统设计所需要的复杂算法和先进控制理论相结合，因此运用MATLAB/Simulink来建立准确而有效的调速仿真模型是非常有必要的。
运用MATLAB/Simulink来建立的调速系统的模型，其通用性强、构造模型简单、修改参数容易、界面友好、功能强大等优点，适宜于系统动态分析，减少了重复劳动，对分析和设计有较高的实用价值。
1.2.2Simulink模块简介
Simulink是TheMathWorks公司于1990年推出的产品，是在MATLAB环境下建立系统框图和仿真的模块库。
其中“Simu”这个词是表明它可以通过计算机模拟，而"
Link”这个词是表明它能够进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。
正是由于Simulink的这两大功能和特色，使它成为仿真领域首选的计算机环境。
Simulink环境下可以使用的电力系统仿真模块库（PowerSystemBlockset）主要是由加拿大的HydroQuebec和TECSIMInternational公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法用于系统模型的绘制。
整个Simulink模块库是由若干个模块组构成。
在Simulink模块库中，包含连续模块组（Continuous）、离散模块组（Discrete）、函数与表模块组（Function&
Tables）,数学运算模块组（Math）、非线性系统模块（（Nonlinear）、信号与系统模块组（（Signals&
Systems）、输出模块组（Sinks）、输入源模块组（Sources）和子系统模块组（Subsystems）等。
在MATLAB，己经封装好了电系统模块库，在该模块库中有很多模块组，主要有电源（Electricalsources）、元件（Elements）、电力电子（PowerElectronics）、电机系统（Machines）、连接器（Connectors）、测量（Measurements）、附加（（Extras）、演示（Demos）模块组等，双击每一个图标都可打开一个模块组。
（1）电源模块组
电源模块组包括直流电压源（DCVoltagesource）、交流电压源（ACVoltagesource）、交流电流源（ACCurrentsource）、受控电压源（ControlledVoltagesource）和受控电流源（ControlledCurrentsource）基本模块等。
（2）测量模块组
测量模块组包括电压表（VoltageMeasurement）、电流表（CurrentMeasurement）、阻抗表（ImpedanceMeasurement）、多用表模块组（Multimeter）和各种附加的子模块组等基本模块。
（3）元件模块组
元件模块组包括各种电阻、电容、电感元件，各种变压器元件，另外还有一个附加的三相元件子模块组。
单个的电阻、电容和电感元件只能通过串联和并联的RLC分支以及它们的负载形式来定义。
单个元件的参数设置在串联或并联分支中是不同的，具体设置见表1.1。
表1.1单个的电阻、电容和电感元件的参数设置表
元件
串联RLC分支
并联RLC分支
分类
电阻数值
电感数值
电容数值
单个电阻
R
inf
L
0
单个电容
C
（4）电力电子模块组
电力电子模块包括理想开关（IdealSwitch）、二极管（Diode）、晶闸管（Thyristor）,功率MOS场效应管（Mosfet）、绝缘门级晶体管（IGBT）等组成，此外还有2个附加的控制模块组和一个整流桥。
（5）电动机系统模块组
电动机系统模块组包括简单同步电动机（（SynchronousMachine）、永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMachine）、直流电动机（DCMachine）、异步电动机（AsynchronousMachine）、励磁系统（ExcitationSystem）、电力系统稳定器（PowerSystemStabilizer,PSS）和输出信号测量分配器（MachiesMeasurementDemax）等模块。
（6）连接器模块组
连接器模块包括10个常用的连接器模块。
（7）附加模块组
以上，简要介绍了MATLAB的Simulink和PowerSystem模块库所包含的模块内容。
1.3本文的主要研究方向
（1）论文首先研究了一种开环直流调速系统的仿真，建立了开环直流调速系统的仿真模型，详细介绍了系统的建模和模型参数设置，并以仿真结果说明了其性能。
（2）其次，论文主要研究了直流双闭环调速系统的控制仿真，通过建立多环调速系统仿真模型，并介绍了系统的建模和模型参数设置，给出了仿真结果输出及分析。
然后进一步的改进了该双闭环调速系统，使系统更加的完善。
2开环直流调速系统的设计
通过MATLAB对控制系统进行仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。
本节以开环直流调速系统为研究对象，采用面向电气原理结构图的仿真方法，对典型的开环直流调速系统进行仿真实验分析。
面向电气原理结构图的仿真方法步骤如下：
首先以调速系统的电气原理结构
图为基础，弄清楚系统的构成，在电力系统（PowerSystem）和Simulink模块库找
出对应的模块，按系统的结构进行建模：
然后对系统中的各个组成环节进行元件
参数设置，在完成各环节的参数设置后，进行仿真参数的设置；
最后对系统进行
仿真实验和仿真结果分析。
为了使系统得到好的性能，通常要根据仿真结果来对
系统的各个环节进行参数的优化调整。
2.1开环直流调速系统的设计
开环直流调速系统的电气原理结构图如图2.1所示。
该系统主要的组成部分：
给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等。
20
世纪60年代，出现了晶闸管可控整流装置，它具有效率高、体积小、成本低、
无噪声等特点，其中，晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上。
在控制快
速性方面，交流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，大大提高系统的快速性。
由晶闸管整流装置给直流电动机供电的调速系统称为V-M系统，图2.2是晶闸管
-直流调速系统硬件结构图，图2.3是采用面向电气原理结构图方法构建开环直流
调速系统的仿真模型。
图2.1开环直流调速系统电气原理框图
在MATLAB5.2以上版本中增加了一个电力系统（PowerSystem）工具箱，该工具箱与控制系统工具箱有所不同，用户不需自己编程且不需推导系统的动态数学模型，只需要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件，按电气系统的结构进行连接，系统的建模过程接近实际系统的搭建过程，且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际原件的电气特性，仿真结果具有很高的可信度。
本论文使用MATLAB7.0版本。
图2.2晶闸管-直流调速系统硬件结构图
图2.3开环直流调速系统的仿真模型
2.2系统的建模和模型参数设置
系统的建模主要包括两部分，即主电路的建模与控制电路的建模。
建模与参数设置的基本原则和方法如下：
（1）系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行。
（2）在进行参数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置（固有环节）的参数设置原则是：
如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话框中的有关参数应取该装置的实际值；
如果是不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默一认值进行仿真。
若仿真结果理想，可认可这些设置的参数；
若仿真结果不理想，则通过这些仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。
（3）给定信号的变化范围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系统（闭环系统中使用）等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真实验，不断进行参数优化。
其具体的方法是分别去设置这些参数中的一个较大值与一个较小值进行仿真，从而了解它们对系统性能的影响趋势，据此可渐渐将参数进行优化。
（4）仿真时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。
（5）因为实际系统是多样性的，所以没有一种仿真算法是万能的。
多种多样的系统所采用的仿真算法也是形形色色的，采用哪种算法更为合适，这需要通过仿真来实践，从仿真得以进行、仿真速度、仿真精度等方面进行选择比较。
2.2.1主电路的建模和参数设置
开环直流调速系统主电路的主要组成部分是：
三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等。
由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论。
因此可以将触发器归结到主电路中进行建模。
（1）三相对称交流电压源的建模和参数设置。
首先在电源模块组中设置三个交流电压源模块，即A相、B相、C相；
然后从连接器模块组中选取“Ground”元件和“BusBar”元件并进行连接，如图2.3所示。
为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下：
在电压源参数设置对话框中设置A相交流电源参数为：
幅值（Peakamplitude）取220V、初相位（Phase）为0°
、频率（Frequency）为50Hz、其它为默认值，如图2.4所示。
B,C相交流电源的参数设置，除了将初始相位设置值互差120°
外，
其它与A相相同。
因此能够得到三相对称交流电源。
图2.4A相电源参数设置
（2）晶闸管整流桥的建模和参数设置。
首先在电力电子模块组中选"
UniversalBridge”模块，然后对SCR整流桥进行参数设置如图2.5所示。
当采用三相整流桥时，桥臂数（Numberofbridgearms）取3；
A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端（Protconfiguration）；
过渡电阻（SnubberresistanceRS）为50000Ohms；
过渡电容（SnubbercapacitanceCs）为inf；
电力电子元件（PowerElectronicdevice）选择晶闸管；
导通电阻（Ron）为1e-3Ohms；
导通电感（Lon）为0H，正向电压（ForwardvoltageVf）为0V。
图2.5SCR整流桥参数设置
（3）平波电抗器的建模和参数设置。
首先在元件模块组中选取“SeriesRLCBranch”模块，然后对平波电抗器进行参数设置，如图2.6所示，类型直接选为电感就可以得到电抗器了。
平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较后得到的优化参数。
其中，电感值（InductanceL）为5e-3H。
图2.6平波电抗器参数设置
（4）直流电动机的建模和参数设置。
首先在电机系统模块组中选取“DCMachine”模块，直流电动机的励磁绕组“F+—F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源选取直流电压源模块；
电枢绕组“A+—A-"
经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出；
电动机经TL端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te，通过“示波器”模块观察仿真输出。
直流电动机参数设置如图2.7所示。
其中，电枢绕组电阻和电感为[0.60.012]；
励磁线圈电阻和电感为[240120]；
励磁电枢互感系数为1.8F；
总惯量为1；
粘滞摩擦系数为0：
库伦摩擦转矩为0；
初始速度为1。
图2.7直流电动机的参数设置
（5）同步脉冲触发器的建模和参数设置。
工程上通常将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，所以在此处讨论同步脉冲触发器。
同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。
6脉冲触发器可从附加控制子模块组获得。
6脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。
同步电源与6脉冲触发器及封装后的子系统符号如图2.8所示。
其中，Uct为触发装置控制电压；
Ua,Ub,Uc分别为a,b,c三相相电压；
In2为触发信号；
AB为A、B两相线电压；
BC为B、C两相线电压；
CA为C、A两相线电压；
Block为时钟；
Out1为输出脉冲信号。
（a）同步6脉冲触发器（b）封装后的子系统
图2.8同步脉冲触发器和封装后的子系统符号
至此，根据图2.2主电路的连接关系，可建立起主电路的仿真模型，如图2.3所示。
上图中若想要封锁触发器，则该触发器的开关信号为“1”；
若想开放触发器，则该触发器的开关信号为“0”。
2.2.2控制电路的建模和参
升级会员 