转速电流双闭环直流调速系统仿真.docx

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转速电流双闭环直流调速系统仿真

专业课程设计论文

题目转速电流双闭环直流调速系统仿真

专业电气工程与自动化

姓名0

班级电气工程与自动化二班

学号2010********

2013年5月10日

转速电流双闭环直流调速系统仿真

摘要：

MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。

本文就简单的转速电流双闭环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。

通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。

从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。

详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中转速电流双闭环直流调速系统实验的仿真方法和模型建立。

其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验．然后讨论了MATLAB在转速电流双闭环直流调速系统教学中的应用。

首先在分析转速电流双闭环直流调速系统的基础上,介绍了基于数学模型的仿真,在仿真中可灵活调节相关参数,优化参数设计。

其次完成了基于电气原理图仿真,并分析了调速系统的抗干扰能力。

采用工程设计方法对转速电流双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型。

分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使转速电流双闭环直流调速系统趋于合理与完善。

关键词：

转速电流双闭环直流调速系统仿真;限幅；调节器；MATLAB仿真

Abstract:

MATLABsimulationismoreandmorehigh,inthepositioninscientificresearchhowtomakeuseofMATLABsimulationofidealresults,thekeyliesinhowtoproperlyselectMATLABsimulation.Inthispaper,thespeedofsimplecurrentdoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemoftheMATLABsimulationoftheexample,throughtheMATLABsimulation,differentsimulationresultsareobtained.ThroughcomparingthesimulationresultsofMATLABsimulationarestudied.ThussummeduphowtodothesimulationofMATLABsimulationintheprocessoftheoptimalchoice.

MATLABlanguagewasintroducedindetailinthe"motoranddrag"speedcurrentdoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemexperimentsimulationmethodandmodelisestablishedinthispaper.Itssimulationresultsareconsistentwiththeoreticalanalysis,itshowsthatthesimulationisreliable,canreplacepartofthephysicalexperiment.ThendiscussestheMATLABintheteachingofspeedcurrentdoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemapplications.Firstofall,basedontheanalysisofspeedcurrentdoubleclosed-loopdcspeedregulatingsystem,onthebasisofsimulationbasedonmathematicalmodelispresentedinthispaper,flexibleadjustmentrelatedparametersinthesimulation,optimizationofparameterdesign.Secondcompletedbasedontheelectricalschematicsimulation,andtheanti-interferenceabilityofthespeedcontrolsystemareanalyzed.Withengineeringdesignmethodforspeedcurrentdoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemtocarryonthedesign,selectcontrollerstructure,parametercalculationandvalidation;Dynamicstructureofsystemisgiven,theestablishmentofstarting,resistancetoloaddisturbanceoftheMATLAB/SIMULINKsimulationmodel.Simulationanalysissystemofstartingspeedandcurrentwaveform,anddebugging,makespeedcurrentdoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemmorereasonableandperfect

Keywords:

Speedcurrentdoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemsimulation;Clipping;Regulator;TheMATLABsimulation:

目录

1课题背景Ⅴ

2转速电流双闭环直流调速系统的原理Ⅵ

2.1原理Ⅵ

2.2各参数的理论计算Ⅵ

3仿真过程Ⅶ

3.1仿真原理图Ⅶ

3.2Matlab软件环境下查找器件、连线具体步骤Ⅷ

3.3所用元器件及其参数设置Ⅸ

3.4仿真结果17

4仿真分析17

5总结18

6参考文献19

1课题背景:

在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。

而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起制动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。

在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内基本几乎都采用直流电力拖动系统。

开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求，在应用广泛的双闭环直流调速系统中，传统的PID控制已经得到比较成熟的应用，但是受电动机负载等非线性因素的影响，传统的控制策略在实际应用中难以保持设计是的性能。

由于模拟控制技术的日渐成熟，又由于模糊控制不依赖于被控对象的精确数字模型，能够克服非线性因素的影响，对调节对象参数变化具有较强的鲁棒性，所以将模糊控制与传统的PID控制结合可以起到满意的控制效果，在此基础上提出自调整因子

模糊控制器，根据控制的误差值，通过适当的调节规则来调整一些控制参数值，从而用于高精度直流调速系统中，具有响应快、超速小，对系统参数及结构变化适应性强的优点。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

2转速电流双闭环直流调速系统的原理

2.1原理

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器分别调节转速和电流，即分别引进转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行嵌套联接，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，它们的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压

决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压

限制了电力电子变换器的最大输出电压

。

2.2各参数的理论计算

a、电流环的控制对象是双惯性型的，传递函数可以写成：

由上式可以看出，电流调节器的参数是

和

，其中

已经选定，可根据动态性能指标选取。

在一般情况下，希望电流超调量

，查表知，可选择

，

，则

，再由公式推导得

b、转速调节器的传递函数是：

转速调节器的参数包括Kn和n。

按照典型Ⅱ型系统的参数关系，有

，

，因此

。

至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定.无特殊要求时，一般可选择h=5为好。

3仿真过程

3.1仿真原理图

3.2Matlab软件环境下查找器件、连线具体步骤

根据实验原理图，接成入上图所示的线路图。

a、点击

图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击

，再点击matlabhelp，打开一个对话框，点击

里的new

model，创建一个新文件。

b、点击工具栏的

，打开元器件库查找新的元器件。

c、原件库如下图所示

如果不知在哪里找到元器件，可以在

里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。

3.3所用元器件及其参数设置

a、三相交流电源V1、V2、V3

设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。

b、VoltageMeasurement（电压测量表）

c、Constent（信号发生器）

输入一个信号，参数值各不一样，如下以一种情况为例。

d、Synchronized6-pulsegenerator

同步6脉冲触发器，由Fcn将ACR输出转换成脉冲控制角α。

而输入端Block用于控制触发脉冲的输出，在该端置“0”，则有脉冲输出；如果设置为“1”，则没有脉冲输出，整流器也不会工作。

e、UniversalBridge

普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。

f、DCMachine（直流电动机）

F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。

m端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。

修改参数电枢电阻和电感（Armatureresistanceandinductance）为[0.210.0021]，励磁电阻和电感（Fieldresistanceandinductance）为[146.70]，励磁和电枢互感（Field-armaturemutualinductance）为0.84，转动惯量（Totalinertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscousfrictioncoefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulombfrictiontorque）为1.9，初始角速度（initialspeed）为0.1。

g、直流电源

修改Amplitude即改变了电压源的幅值。

这里此模块用作直流电动机的励磁电源，幅值为220V。

h、PI调节器

分别作为转速调节器PIDController和电流调节器PIDController1，PIDController的输出作为PIDController1的输入，起到限幅的作用。

i、Gain（双击Gain可修改增益）

j、Saturation（反馈深度）

k、Sum（加法器）

在ListofSigns栏目描述加法器三路输入的符号，其中|表示该路没有信号，所以用|+-取代原来的符号，得到动态结构框图中所需的减法器模块了。

l、Demux（分接器）

m、scope（示波器）

n、仿真环境参数设置

点击

选中第三个，设置环境参数。

3.4仿真结果

根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图，运行之后，得到如下波形。

以下波形分别为转速n，电枢电流Ia，励磁电流If，转矩T

4仿真分析

从上图仿真的波形可以看出，它非常接近于理论分析的波形。

从波形中也可以看出，在启动中转速调节器经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，整个动态过程分为三个阶段：

电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。

第一阶段突加电压，电枢电流迅速上升，速度调节器的输入很快达到限幅值。

第二阶段，ASR始终饱和，转速环相当于开环，保持电流恒定，拖动系统恒加速，转速线形增加。

第三阶段，当转速达到给定值之后，转速调节器和电流调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。

转速超调之后，转速调节器输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线形调节阶段，使速度恒定不变，实际仿真结果基本上符合理论分析。

转速调节器的作用是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；它对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

电流调节器的作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化；它对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

实验中存在一定的误差，由于参数的设定，线路的连接，还有仿真参数的选择。

5总结

用Matlab软件进行转速电流双闭环直流调速系统仿真，很是方便，实验现象虽然没有那么直观，但是调试提来很方便。

但对于英文版的matlab我不是很明白哪个模块对应的是哪个器件，器件的参数设置于计算也是我很头疼的。

不过无论如何，我从这次仿真还是学到了很多的东西，比如了解及掌握了一些模块的用法及参数设置。

参考文献：

1.夏德钤翁贻方：

《自动控制理论》（第2版）

机械工业出版社，2004年1月第2版

2.顾绳谷：

《电机及拖动基础》（第4版）

机械工业出版社，2007年9月第4版

3.王兆安黄俊：

《电力电子技术》（第4版）

机械工业出版社，2007年6月第4版

4.阮毅陈伯时：

《电力拖动自动控制系统--运动控制系统》（第4版）

机械工业出版社，2007年9月第4版

5.陈伯时：

《电力拖动自动控制系统》（第2版）

机械工业出版社，2000年9月第2版

6.李国勇谢克明：

《计算机仿真技术与CAD》（第2版）

电子工业出版社，2008年1月

7.薛定宇：

《反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用》

清华大学出版社2000年4月第1版

8.张晓华：

《控制系统数字仿真与CAD》

机械工业出版社，1999年10月第1版