自动控制系统课设定稿.docx
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自动控制系统课设定稿
湖北文理学院
《自动控制系统》
课程设计报告书
设计课题:
转速电流可逆调速系统的MATLAB仿真试验
姓名：
吴海鹏
学院:
物理与电子工程学院
专业:
自动化1311班
日期
2016年5月30日
指导教师:
廖育武
湖北文理学院物理与电子工程学院
目录
一、课程设计任务书…………………………………………………3
二、可逆调速控制系统的构造过程及其工作原理…………………4
2.1晶闸管--电动机系统的可逆电路…………………4
2.2电动机的四象限运行方法…………………………5
3、可逆电路中的环流及其抑制措施………………………………5
3.1环流及其种类………………………………………5
3.2可逆系统的分类……………………………………6
4、典型配合控制的有环流可逆控制系统…………………………7
4.2环流及其抑制措施…………………………………7
4.3有环流可逆系统的过渡过程………………………7
5、逻辑无环流可逆调速控制系统…………………………………8
5.1无环流可逆系统的市场应用………………………8
5.2逻辑控制器概述……………………………………9
6、MATLAB构造转速电流双闭环及其逻辑无环流可逆系统
6.1电流环的仿真模型…………………………………10
6.2电流环的仿真参数波形比较………………………10
6.3双闭环的系统仿真及其对应参数波形……………11
6.4逻辑无环流可逆系统仿真及其仿真问题…………12
6.5逻辑无环流可逆系统仿真参数波形………………13
七、心得体会…………………………………………………………15
参考文献………………………………………………………………15
一、《自动控制系统》课程设计任务书
1.1参考题目：
1、锅炉水温控制电路的设计
2、汽车自动巡航控制电路的设计
3、电压力锅温度控制电路的设计
4、空调温度控制电路的设计
5、电动自行车调速控制电路的设计
6、高楼水压自动控制电路的设计
7、可控硅—电动机系统速度调节器、电流调节器的设计
1.2设计要求：
1、根据题目内容查阅相关资料，明确设计要求。
2、根据设计要求，确定设计方案。
3、确定设计方案搭建试验电路并运行。
4、根据运行结果修改电路。
5、将上述各项结果记录并写出设计报告。
1.3设计报告内容：
6、设计任务书。
7、目录。
8、概述。
9、方案级原理。
10、控制电路运行过程中，参数变化对运行的影响。
11、参考文献。
1.4设计参考资料：
1、《电力拖动自动控制系统》第4版，机械工业出版社。
2、《自动控制系统实验指导》中央电大。
2、可逆调速控制系统的构造过程及其工作原理
2.1晶闸管--电动机系统的可逆电路
对于单组晶闸管的整流控制系统。
如果负载不变，当转速给定电压突然降低时（类似于实际生活中的机床的急停），此时因为晶闸管的单向导电性，主电路的电流不能反向，导致电枢电流Id不能迅速从第1（或3）象限进入第2（或4）象限。
因此，就会失去对降速过程的最优控制机会。
所谓的晶闸管——电动机的可逆系统实际上电动机的最优启动和最优制动的系统，其关键在于“可逆”，而可逆解决的问题就是如何让电枢电流Id迅速反向的问题。
单组晶闸管整流控制系统的电枢电流不能迅速反向。
但是当电动机带位能性负载时，通过位能性负载转矩特性，我们知道系统可以从第1（或3）象限迅速进入第4（或2）象限。
尽管系统在第4象限电枢电流没有改变方向，但是系统处于逆变状态，整流极性发生了变化。
由此可知:
反向电动状态的晶闸管整流系统也能从第3象限进入第2象限。
从能量守恒的物理定律来看，当需要制动电动机时，让工作在第1（或3）象限的电动机迅速工作在第2（或4）象限，并且由处于逆变状态的反组晶闸管吸收能量反馈电网，使晶闸管的整流极性与电动机的原状态相反，从而达到制动的目的。
同理，如果反向电动状态的晶闸管整流系统的电枢电流需要迅速突降，可将正组晶闸管整理系统工作在第4象限。
综上所述，晶闸管整流极性与电动机的原状态相反，可使电枢电流迅速改变极性。
从电机拖动的角度看，晶闸管整流极性与电动机的原状态相反可使晶闸管——电动机系统能够在四象限内迅速转换运行。
2.2电动机的四象限运行方法
经过理论分析可知：
要想使电枢电流迅速改变极性，必须迅速将晶闸管整流极性与电动机的原状态相反。
方法有两大类：
1，改变电动机电枢极性；2，改变电动机的励磁极性。
其根本实质还是为了解决改变电动机的转向的问题。
改变电动机的励磁极性不能满足快速制动的要求，因为励磁回路的电感比较大，则惯性大。
相反，由于电枢回路的电感量比励磁回路的要小，使得电枢回路有较小的时间常数。
可满足某些设备对频繁起动，快速制动的要求。
而通常改变电枢极性的方法有三种：
（1）
有触点的开关可逆电路：
有触点开关（接触器切换）电路图如图所示。
这种电路方案的主要优点是控制简单，造价低；主要缺点是正反两组切换时死区时间太长，不能满足快速制动的要求，寿命低，有噪音。
（2）无触点开关的可逆电路：
无触点开关（晶闸管切换）电路图如图所示。
这种方案的主要优点：
控制简单，寿命高，无噪音；主要缺点：
切换时有死区，不满足快速制动的要求。
（3）两组晶闸管反并联可逆电路：
理想的控制方案。
选择此可逆电路的主要原因：
无触点式开关换向，寿命高，无噪声；正反两组晶闸管切换时可以实现无死区切换，能满足各种快速制动的要求。
另外，两组晶闸管对称，容易实现系统集成制造。
目前国内外各大直流调速器生产商所生产的四象限直流调速器都是反并联结构。
但是采用这种结构的系统如果正反组配合不好，就会出现两套可控整流桥短路的现象。
因此，可逆调速控制系统的核心问题就是研究正反组如何正确配合控制的问题。
3、可逆电路中的环流及其抑制措施
3.1环流及其种类
为了避免两组晶闸管整流装置由于配合不好所导致的短路现象，经常采用使得整流电压与逆变电压始终大小相等，方向相反的控制策略。
但是，这种控制思想会出现环流。
简单地说，环流（静态环流）是指不流经负载（包括电动机），而直接在两组晶闸管整流装置之间流通的电流Ic称为环流。
也就是两组晶闸管顺向串联的短路电流。
产生环流的主要原因来自脉冲的施加方式，有两种情况：
（1）一组晶闸管给脉冲工作时，另一组晶闸管脉冲被封锁。
这种工作方式称为逻辑无环流控制方法，这里的无环流是指没有短路电流Ic,但是存在自然环流（瞬时脉动环流），所以逻辑无环流系统又称为自然环流系统。
（2）一组晶闸管给脉冲工作时，另一组晶闸管给定脉冲移到逆变区。
这种方法所衍生的是α=β典型控制方法。
也可以消去短路电流Ic。
脉冲在逆变区的位置不同可产生或不产生环流。
环流的分类如下:
1.直流平均环流：
这是由于第二种脉冲施加方式引起的。
当正组（或反组）的平均电压大于反组（或正组）的平均逆变电压，则：
Ud0F>Ud0R（正组整流，反组逆变）Ud0F即产生的环流Ic称为直流平均环流。
2.瞬时脉动环流：
当一组的平均整流电压不大于另一组的平均逆变电压时，所产生的环流Ic称为瞬时脉动环流。
产生的原因就是一组的瞬时整流电压大于另一组的瞬时逆变电压。
瞬时脉动环流的特点就是有规律地重复出现。
3.动态环流：
在过渡过程中出现的环流称为动态环流，这种环流在任何脉冲控制方式下都有可能产生。
一般情况下，当出现控制故障时会出现动态环流。
环流的二重性：
环流的存在会加重晶闸管和变压器的负担，消耗无功功率，环流太大就会烧坏晶闸管，因此必须加以抑制。
环流也有非常独特的优点，只要控制的好，保证晶闸管安全工作，可以利用环流作为流经晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载或轻载时也可使晶闸管工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性因素对系统静，动态性能的影响。
而且在可逆系统中存在少量环流，可以保证电流的无间断反向，加快反向时的过渡过程。
3.2可逆系统的分类
直流环流可逆调速系统
有环流可逆调速系统
可逆调速系统
无环流可逆调速系统
当晶闸管整流组的所有瞬时电压都不大于晶闸管逆变组的所有瞬时电压时所出现的无环流状态称为错位无环流：
脉动环流可逆调速系统
逻辑无环流可逆调速系统
错位无环流可逆调速系统
尽管被控对象的生产过程有的不允许可逆，有的允许可逆，但是为了实现最优控制，主电路必须选择反并联可逆系统。
四、典型配合控制的有环流可逆控制系统
4.2环流及其抑制措施
采用两组晶闸管整流装置反并联的可逆系统可以解决直流环流问题。
为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态，Ud0F为正时，强迫让反组处于逆变状态，使Ud0R为负，且幅值与Ud0F相等，使逆变电压Ud0R把整流电压Ud0F顶住，则直流平均电流为零。
且有：
为触发延迟角
则可知有：
，
如果反组的触发延迟角用逆变角表示：
综上所述可知，无环流产生时；当且仅当时，
逆变电压更可以顶住整流电压，更无环流产生。
所以都可以消除平均直流换流。
这种控制方式称作配合控制。
可以有效消除直流平均环流。
另外，需要说明的是：
瞬时脉动环流是自然存在的，无法完全消除。
可以通过环流电抗器对其进行抑制或减小。
因为所谓的瞬时脉动环流环流引起的原因是一组的瞬时整流电压大于另一组的瞬时逆变电压，它是瞬时的因素所造成的,所以无法消除。
4.3有环流可逆系统的过渡过程
在采用典型配合控制以后，消除了直流平均环流。
但这只是就电压的平均值而言的，为了深入理解这个控制系统的工作原理，下面就根据系统的过渡过程的波形作分析。
假设控制系统处于正向稳定运行状态，当系统在t1时刻接到停车命令后，则：
（1）给定立即变0，=0。
因为机械惯性，转速反馈信号不可能立即出现造成
ASR的输入偏差信号立即等于转速反馈信号，导致ASR的输出反向饱和。
（2）由于电流的给定信号和电流的反馈信号此时的极性相同，导致电流调节器的输出信号产生反向饱和。
，此时的触发延迟角在逆变区，同时反组由待逆变状态转变待整流状态。
进入本组逆变状态，相当于本组整流电压，根据楞次定律，电动机反电动势E企图维持正向电流，迫使Id下降，则储存在电感中的磁能迅速释放，回馈电网。
（3）当主电路电流Id下降过零时，表明电感中的磁能释放完毕，即本组逆变终止。
始终不能忘记我们的目的，当；则我们的目的就是停车，转速降为零。
而Id=0并开始反向时，真正意义上的制动才开始。
图示t2～t6统称“它组制动阶段”。
（4）Id过零反向直到达到-Idm以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为-Ucm。
但由于本组逆变终止，电流变化延缓，则反组VR由“待整流”进入整流状态，反组桥的输出电压与电动机的反电动势的电压在电流形成的回路上的极性一致，形成的电源
顺向串联，所以反向电流Id迅速增大。
t2～t3为反组整流阶段。
（5）
ACR调节器退饱和的唯一途径是反向电流-Idm出现超调。
而即使ACR的输出
退饱和又会进入线性调节状态，直到转速n超调之前，ASR的输出都不会退饱和，即ACR的给定就不会发生变化，由反馈控制规律：
服从给定，制动电流Id就会保持恒流无静差。
所以电动机在恒减速条件下回馈制动，把机械能回馈电网。
如图所示，t3～t4是“它组逆变状态”。
（6）当转速降比较小时，为保持最大允许制动电流Idm不变，反组桥由逆变状态进入整流状态维持Idm基本不变，由图t4～t5。
需要强调的是：
如果转速给定不是突然间变成零，而是突然间变成某一个负值，那么可逆调速控制系统的转速变成零以后，就会立即进入反向启动过程，中间没有间断或者死区。
这是有环流可逆调速系统的最大优点。
五、逻辑无环流可逆调速控制系统
5.1无环流可逆系统的市场应用
那么为什么要研究无环流可逆系统呢？
无环流可逆系统存在的意义是什么？
并未现实生活中无环流可逆调速系统在冶金行业、重型机械加工业和许多小型轻工业部门得到了广泛的应用。
其原因有以下两点：
（1）对于大功率系统，即使很小的环流都会造成巨大的电能浪费。
（2）环流的存在不仅增大了控制系统的初投资（比如：
需要增加抑制环流的电抗器），还会增大控制系统的体积。
在3.2节我介绍了可逆系统的分类；其中无环流可逆系统分为两类：
（１）逻辑控制的无环流可逆系统；（２）错位控制的无环流可逆系统。
所谓的逻辑控制的无环流可逆系统就是指在反并联可逆电路中，当一组功率器件工作时，用逻辑电路封锁另一组功率器件的触发脉冲，保证任何情况下最多只有一组处于工作状态。
5.2逻辑控制器概述
1.需要解决的问题
根据前面的介绍，我们知道：
在任何情况下，逻辑无环流可逆系统最多只有一组功率器件处于工作状态。
因此，其关键在于研究逻辑无环流可逆控制系统的构造，而这其中的关键构造又在于研究逻辑控制的具体结构，就是为了保证任何情况下最多只有一组处于工作状态，而用逻辑电路封锁另一组功率器件的触发脉冲。
关于如何设计逻辑控制器，怎样得到输入输出信号的逻辑控制关系，这需要结合数字电路的相关知识进行设计，我以为分2个步骤进行：
（1）明确输入与输出的逻辑关系。
就是设法找到它们之间对应的逻辑表达式。
（2）如何推到逻辑表达式。
这里面有3种方法可供参考：
①真值表达式。
列真值表，通过真值表推导逻辑代数关系。
②软件自动生成法。
这个需要一些工程软件开发公司研发的产品来为我所用，它还是以真值表为基础的，辅助一些人工智能的方法获得的。
③功能添加法。
它指的是结合实际的控制系统的本身的简单逻辑关系，比如器件的自锁，互锁等；与真值表等理论推导的逻辑表达式联合进一步推导逻辑表达式，化简求得简单的与非门表达式，用逻辑电路来实现。
2.逻辑代数关系式的实现方法及逻辑装置的应用问题
逻辑代数关系式的基本实现方法有2种:
（1）采用软编程器件实现：
可以通过可编程控制器或者单片机或者可编程逻辑器件等来实现逻辑代数关系式。
（2）采用硬件实现。
通过硬件电路来搭建逻辑关系式所表达的含义。
实际应用的逻辑控制器并不是简单的与非门电路所搭建的逻辑电路，除此之外，我们还应该增设一些其他的中间环节以达到最佳控制效果。
具体保护环节有以下4方面：
（1）输出必须增加逻辑保护环节和开关管故障保护环节。
正常工作时，两个输出总是相反的，但如果逻辑电路发生错误，出现两个输出都为“1”时，就会造成两组桥同时开放而可能烧坏晶闸管。
（2）更换晶闸管需要校核晶闸管接地电容的参数。
如果接地电容的参数小于新的更换的晶闸管的阻断时间，将会发生两组桥短路事故。
（3）输出加功率放大环节，输入加电平检测环节。
增加输出功率放大环节，输入电平检测环节才能构成最基本的逻辑控制无环流可逆系统。
（4）根据实际用户或其他的工艺要求增加其他的保护环节。
不同的调速器生产厂商逻辑切换装置的设计也不同，但其基本原理大同小异。
各厂商往往根据一些特殊环境增加一些其他的保护环节。
以上是关于逻辑控制器的简单概述，实际上逻辑控制器是构成逻辑无环流可逆系统的关键部分，决定系统的最优设计，同时也保证系统工作的稳定性能。
6、MATLAB构造转速电流双闭环及其逻辑无环流可逆系统
6.1电流环的仿真模型
构建电流环的仿真模型如下图所示：
6.2电流环的仿真参数波形比较
根据仿真模型，设计PI调节器的传递函数：
，得到电流环的阶跃响应仿真结果如下左图所示，系统迅速响应，无超调；改变参数：
，得到右图所示的系统响应，显然比例参数过大导致系统出现轻微振荡，但因为积分环节可以保证系统为无差系统，所以最终稳定在给定值附近。
（注意查看横纵坐标刻度）通过图示仿真模型，可以观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势，找到符合工程要求的的适合的参数。
下面是关于不同参数设计的波形比较。
在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于λIN≈200A,实际上二者之间的关系是：
λIN＜200A，IN是电动机的额定电流；λ是电机电流允许的过载倍数。
有2方面的原因：
（1）电流调节系统受到电动机反电动势E的扰动，这是一个渐进的扰动量，E∝n;因此系统不能无静差；
（2）有差是为了给转速足够的上升空间，实际上是为了给电枢电压一个爬升的空间，否则调节器失效。
6.3双闭环的系统仿真及其对应参数波形
构建电流环的仿真模型如下图所示：
转速调节器ASR的PI参数如图所示，P=12，I=1.4；电流调节器ACR的PI参数P=0.5067,I=16.89;图示的Gain4的放大倍数K=12.5。
得到启动波形如下图所示：
电机的启动过程分为3个阶段：
①（0～t1）电流上升阶段。
t1时刻ASR进入饱和状态，则为下一阶段做准备。
Id但是从图中可以看出，电流Id达到负载电流以上之后，转速线性增加，直到达到最大转速。
②（t1～t2）恒流升速阶段。
速度调节器ASR的输出给定，ACR服从给定，处于恒流无静差状态。
此时的转速以最大的加速度线性增加，在这一阶段ASR处于饱和状态，而ACR则无不饱和状态。
③（t2以后）转速调节阶段。
进入t2以后，ASR退饱和，＜0，Id=Idl时，n=nmax。
t3～t4阶段ASR与ACR都不饱和，速度与电流都处于一个动态调整的阶段。
6.4逻辑无环流可逆系统仿真及其仿真问题
构建电流环的仿真模型如下图所示：
在这里，要说明几点问题。
都是我自己在仿真的过程中所遇到的问题，分享给大家！
（1）使用的软件：
Matlab2014a,电脑系统：
Win764bit.这是没有问题的，具备这两个条件，就可以实现仿真。
为此，我的电脑重装了系统。
Matlab软件还是比较大的，安装包4.0G。
所以运行时最好保证电脑内存够用,运行流畅。
（2）关于模块库的问题。
主要是在2014版的Matlab中没有6脉冲同步整流桥；我是首先在Matlab7.1版本上面进行搭建系统的，基本上所有的模块都能找齐，但是不能正常运行，甚至有些模块不存在，因为现在2014Matlab可以运行，这个问题可以重新把Matlab文件放到7.1版本研究一下，可能是配置有问题。
后续我要说明的。
那么关键的第一步在于Matlab2014a6脉冲同步触发器这个模块库怎么获得呢？
我是在网上找到的。
如图所示的子系统Subsystem就是的。
（3）BusSelector与MUX的区别。
这是实验过程中发现的问题，也就是从电动机出来的信号如图m总线信号是一个复合信号，它本身就是一个复合信号，所以就不应该继续用MUX进行复合，MUX相当于是把两个信号“叠加”在一起了，又不是把数值叠加。
而我们应该从复合信号中挑选出分离信号，逐个进行解析。
所以很形象的说，是BusSelector，从总线信号中挑选出需要的信号进行分离。
（4）在使用三相电源时，需要添加powergui这个模块，并且要求这个模块放在左上角，matlab可以主动识别，这样的话，可以减少错误。
当系统都已经搭建完成，仿真报错了：
找不到模块。
可能是电脑系统本身的问题，我也是在网上找到解决方法的，添加了atlas_athlon.dll这个系统文件，重启Matlab解决了问题。
说到这，我其实想说的是，其实Matlab2014a仿真报错的时候，我们可以尝试着查看报错的原因，基本是简单的英语提示，但是很有用的，就是需要我们同学自己耐心找出问题所在，最终解决问题。
否则，如果面对问题不知所措的话，就总是会出现问题的，就总是兜圈子，自困其中。
6.5逻辑无环流可逆系统仿真参数波形
1.参数的设置（其他未注参数默认不作修改）
（1）电源参数
Name
Amplitude
Phase
Frequency
Va
110
0
50
Vb
110
-120
50
Vc
110
120
50
DCVoltageSource1
240
None
None
（2）直流电动机参数（未注参数默认）
Name
RLa
RLf
Laf
J
Bm
Tf
W0
Ifinit
TsBlock
DCMachine1
[0.05
0.001]
[240
120]
0.18
2
0
0
1
1
-1
（3）Gain模块设置
Name
Gain
Gain1
Gain2
Gain3
Gain
0.1
0.04
22.5
-1
（4）PID模块参数
Name
P
I
D
PIDController
120
0.1
0
PIDController1
4.5
2
0
（5）Saturation模块参数
Name
Saturation
Saturation1
Saturation2
Upperlimit
4
4
180
Lowerlimit
-4
-4
2
（6）SeriesRLC模块参数
Name
Resistance
Inductance
Capacitance
L
0
1e-03
inf
（7）StepBlock模块参数
Name
Step
Step1
Step2
Step3
Step4
Step5
Time
0.01
0.02
0.015
0.02
0.02
0.02
Before
0
1
-1
0
0
0
After
80
0
0
2
-2
0
SampleTime
0
0
0
0
0
0
（8）6-PulseGenerator（6脉冲同步触发器）
Name
Freq
Pwidth
DoublePulse
6-PulseGenerator
50
10
off
2.仿真参数波形
对照上述参数做仿真的参数波形如下所示：
其中，明显可以看出的是：
电流Id,转速n的变化趋势：
给定值阶跃变化（正向启动→正向停车→反向启动→反向切换到正向→正向切换到反向→反向停车）时的Id、n的动态波形。
其中的转速n正向启动过程基本与双闭环系统的仿真结果相似；当转速进入正向稳定状态时，正向停车电流急剧降落，为了平衡负载，最终当转速n=0rpm；电流Id=Idl；反相启动过程稳态运行时相当于静止停车，电流处于平衡状态。
而从反向最大转速切换到正想最大转速时，电流无静差以最大加速度反向制动后正向加速，无死区存在，这正体现了可逆系统的最大优点。
同样的，当转速n从正向最大转速切换到反向最大转速时，电流Id以反向最大电流无静差恒加速度正向制动后反向加速。
以不到0.5s的时间完成加速过程。
值得注意的是，反切正的时间大约是3.5s左右，是正切反的7倍，这个问题有待进一步做研究。
7、心得体会
对于这次仿真试验，我的确有很大的收获。
虽然仅仅是一次仿真实验，可是我也用了很大一部分时间来弄清楚逻辑无环流可逆调试系统的各个模块之间的关系以及参数设置问题如何解决等问题之上。
首先逻辑无环流系统主要包括4大模块：
转速调节器（ASR）、电流调节器（ACR）、逻辑控制器和电源模块。
电源的基本参数设置没什么问题，220V,相角间隔120°；涉及到在Matlab中使用到电力系
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