无环流直流可逆调速系统的分析设计与仿真文档格式.docx

1、 DC motor circulation ;logic ;without circulation reversible speed ;Matlab simulation第一章 绪论1.1 课题研究的目的与意义直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高等优点，因而直流电机调速系统在工业传动系统中的到广泛应用。在实际的生产中，许多生产机械不仅要求调速系统能够完成调速的任务，而且还要求系统能够可逆运转，例如可逆式初轧机的可逆轧制、龙门刨床工作台的往返运动、矿井卷扬机和电梯的提升和下降、电气机车的前进和后退等；有些生产机械虽然不要求可逆运行，但要求能进行快

2、速电气制动，如连轧机煮传动及其开卷机、卷取机等。从直流电动机的工作原理可知，要使其制动或者改变旋转方向，就必须改变电动机的电磁转矩的方向。改变电动机电磁转矩的方向有两种方法：一种是改变电动机电枢电压的极性，另一种是改变励磁磁通的方向。与此对应，晶闸管-直流调速系统的可逆线路有两种：电枢反接线路和励磁反接可逆线路。对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，有没有脉动环流的无环流可逆系统。无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因环流失败造成的事故率大为降低。因此，无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。所以我

3、选择了用MATLAB仿真软件来研究电动机中无环流直流可逆调速系统的分析设计与仿真。以考察自己的所学的知识和分析能力,达到理论与实际相结合的目的。1.2 我国电力拖动自动控制系统的发展概况电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。由于半导体技术在电力电子学和模拟及数字电子学方面的迅速发展，促使了电力拖动自动控制系统的日新月异。在世界各国的工

4、业部门中，至今还广泛地应用着直流电力拖动系统。直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而准确的调速，以及快速响应等。在一定时期以内，直流拖动系统仍将具有强大的生命力。晶闸管使直流电力拖动的调速技术发生巨大变化。相对于原有的直流发电机组对直流电动机供电的直流拖动系统，采用晶闸管静止变流器供电的系统具有体积小无噪声效率高等一系列优点。在60年代和70年代，直流拖动达到全盛时期。目前，晶闸管控制的直流拖动普遍地应用于轧机拖动纺织机械造纸机械和电力机车等场合。用晶闸管变流器控制的他励直流拖动机调速系统，至今仍是工业中应用最广泛的拖动系统。这种系统若采用电枢电压控制，可以得到低于基速的转速

5、调节。若采用削弱磁场控制，可以得到高于基速的转速调节，可以通过晶闸管的串联和并联，来达到高电压和大电流。采用电力拖动自动控制系统，一方面可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，自动地把电能变换成所需要地机械能，另一方面也可以把人们从信息处理地繁杂的事务工作中解脱出来。因此，应用电力拖动自动控制系统可以具有以下一些优点：首先是改善生产过程中的工作条件、节约劳动力和减少原材料和能源的消耗；其次是提高生产设备的利用率、可靠性安全性及其寿命，减少故障率和重大故障的可能性；最后对于某些因生产工艺和环境条件等原因造成的不能或不宜由人进行控制的场合，可以实现过程控制等方式。直流调速系统的设计要完成开环调速、单

6、闭环调速和双闭环调速等过程，需要观察比较多的测点，而且需要计算的参数较多，所以在设计过程中使用了MATLAB中的Simulink工具箱来进行辅助设计，由于它可以构建被控制系统的动态模型，直接观察各观测点的波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改动态模型来完成，而不必对实物进行拆装和调试。MATLAB中的建立模型、仿真工具Simulink具有模块组合方便、直观性能分析等优点，可以缩短产品的设计开发过程，也给教学环节提供了试验的平台。第二章 MATLAB的基本知识2.1 MATLAB的介绍MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称。MATLAB 是一种用于算法开发、数

7、据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。使用 MATLAB，您可以较使用传统的编程语言（如 C、C+ 和 Fortran）更快地解决技术计算问题。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB 提供了很多用于记录和分享工作成果的功能。可以将您的 MATLAB 代码与其他语言和应用程序集成，来分发您的 MATLAB 算法和应用。MATLAB是矩阵实验室（MatrixL

8、aboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。当前流行的MATLAB 7.1/Simulink 6.3包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）.工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工

9、具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。此高级语言可用于技术计算此开发环境可对代码、文件和数据进行管理交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等二维和三维图形函数可用于可视化数据。各种工具可用于构建自定义的图形用户界面各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成利用 MATLAB

10、 开发环境，可以开发算法、交互地分析数据、查看数据文件以及管理项目。2.2 MATLAB（Sumilink）的介绍MathWork开发的Sumilink是MATLAB里的重要软件工具之一，其主要的功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而在实际系统制作出来之前，可以预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统做适当的实际修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少系统设计过程中反复修改时间，实现高效率地开发系统的目标。支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，还支持具有多种采样的系统。Sumilink 仿真特色：传统的系统微分方程或差方程等数学模型

11、，非常抽象而且不易理解。Sumilink建模直接绘制控制系统的动态模型结构图，就像用笔与纸来画图一样容易，且更简单、准确而快捷。这种直觉的图形化形式，非常直观，容易理解；不仅大大简化设计的流程，减轻设计负担、降低设计成本、提高工作效率，而且使抽象深奥的数学模型变成工程技术语言控制系统框图。实际的鼠标操作是用其点击与拖曳功能。根据实际工程中控制系统的具体构成。将上述模块库中提供的各种标准模块复制到Simulink的模型窗口“untitled”中，再用Simulink的连线方法连接成一个完整的Simulink动态结构图。各个环节可按Simulink特定的方法设定或改变参数，以与实际控制系统相对应。

12、必须强调，Simulink的模糊窗口“untitled”里建立的是系统动态结构图，保存后的文件后缀为“.mdl”，而MATLAB的的M文件编辑/调试器即“untitled”窗口里建立的是M文件，文件后缀为“.m”即MATLAB程序，两者不要混为一谈。为了管理与使用程序的方便，这两种文件最好都存在MATLAB子目里。在构建完一个模型以后，可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB命令里窗口键入命令来对系统进行仿真机分析其动态特性。对于使用者而已，菜单方式交互性强，非常方便；而命令方式对于运行某方面的仿真程序时非常有用的。其次，Simulink内置有各种分析工具：多种仿真算法、系统线性化、寻

13、找平衡点等，都是非常先进而使用的。还有，采用Scop示波器模块与其他的画图模块，可以在仿真进行的同时，就观看到仿真结果。2.3 Simulink 使用2.3.1 Simulink定义Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形驶入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入、输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的

14、调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以 .mdl 文件进行存取），进而进行仿真与分析。2.3.2 Simulink的模块库介绍Simulink模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Linear（线性模块）；Discrete（离散模块）；Connections（连接模块）；Demos（演示模块）；Nonlinear（非线性模块）；Blocksets&Toolboxes（块设置于工具箱模块）；Sinks（接收器模块）；Sources（输入源模块）。每个模块内又有多个子模块，可以实现不同的功能。2.3.3 Simulink功能模块的处理功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、

15、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。在模型春光看中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记，此时可以对模块进行以下的基本操作（1）转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择Flip Block旋转，选择Rotate Block顺时针旋转，或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。（2）模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的

16、位置也可以改变，可以用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。Hide Name可以隐藏模块名称。（4）颜色设定：Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。（5）参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。（6）属性设定：选中模块，打开Edit菜单

17、的Block Properties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。其中Open function属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。（7）模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号是一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入

18、信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。Simulink 完全采用标准模块方框图的复制方法来构造动态系统的结构图模型。结构图模块的创建过程就是从Simulink 模块库中选择所需要的基本功能模块，不断复制到模型窗口“untitled”里，再用Simulink 的特殊连线方法把多个基本模块连接成描述或代表控制系统实际结构的方框图模型的过程。在Simulink 环境中绘制模型结构图并不很复杂，都只是依赖于鼠标操作，但是，必须要小心，仔细。鼠标的不同操作体现在光标的形状上，在默认状态下鼠标是一个箭头，但在图形的操作过程中鼠标呈现不同的

19、形状。2.4 观察Simulink 的仿真结果2.4.1 Simulink的运行构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数，启动仿真和仿真结果分析。设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Paramenters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。（1） Solver页此页可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；选择输出项。仿真时间：主注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长设

20、定为0.1，则需要执行100步，若把步长减少，则采样点数增加。一般仿真开始时间设为0.而结束时间视不同的因素而选择。总的来说，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框仲指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。变步长模式解法器

21、有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。步长参数：对于变步长模式，用户可以设置最大的和推荐的初始步长参数，缺省情况下，步长自动确定，它由值auto表示。仿真精度的定义（对于变步长模式）：Relative tolerance（相对误差）：它是指误差相对于状态的值，是一个百分比，缺省值为1e-3，表示状态的计算值要精确到0.1%。Absolute tolerance（绝对误差）：表示误差值的门限，或者是说在状态值为零的情况下，可以接

22、受的误差。如果它被设成了auto，那么Simulink为每一个状态的设置的初始绝对误差为1e-6 。 Mode（固定步长模式选择）。输出选项：Refine output：这个选项可以理解成精细输出，其意义是在仿真输出太稀松时，Simulink会产生额外的精细输出，这一点就像插值处理一样。用户可以在refine factor 设置仿真时间步间插入输出点数。产生更光滑的输出曲线，改变精细银子比减少仿真步长更有效。精细输出智能在变步长模式中才能使用，并且在ode45效果更好。Produce additional output：它允许用户直接指定产生输出的时间点。一旦选择了该功能，则在它的右边出现一个

23、output times 编辑框，在这里用户指定额外的仿真输出点，它既可以是一个时间向量，也可以是表达式。与精细银子相比，这个选项会改变仿真的步长。Produce specified output only：它的意思是让Simulink只在指定的时间点上产生输出。为此解法器要调整仿真步长以使之和指定的时间点重合。这个选项在比较不同的仿真时可以确保它们在相同的时间输出。（2）Workspace I/O页此页主要用来设置Simulink与MATLAB工作空间变换数值的有关选项。Load form workspace：选中前面的复选框即可从MATLAB工作空间获取时间和输入变量，一般时间变量定义为t

24、，输入变量输入为u。Initial state 用来定义从MATLAB工作空间获得的状态初始值的变量名。Save to workspace：用来设置存往MATLAB工作空间的变量类型和变量名，选中变量类型前的复选框使相应的变量有效。一般存往工作空间的变量包括输出时间向量（Time）、状态向量（State）和输出变量（Output）。Final state 用来定义将系统稳态值存往工作空间所使用的变量名。Save option：用来设置存往工作空间的有关选项。Limit rows to last 用来设定仿真结果最终可存往MATLAB工作空间的变量的规模（对于向量而言就是其维数，对于矩阵而言就是

25、其秩）；Decimation设定了一个亚采样因子，它的缺省值为1，也就是对每一个仿真时点产生值都保存，而若为2，则是每隔一个仿真时刻才保存一个值。Format 用来说明返回数据的格式，包括矩阵（Matrix）、结构（Struct）及带时间的结构（Sruct with time）。（3）Diagnostics页此页分成两个部分：仿真选项和配置选项。配置选项下的列表框主要列举了一些常见的事件类型，以及当检查到这些事件时给予的处理。仿真选项options主要包括是否进行一致性检验、是否禁止复用缓存、是否进行不同版本的Simulink的检验等几项。除了上述3个主要的页外，仿真参数设置窗口还包括real-time worksop页，主要用于与C语言编辑器