基于Matlab直流調(diào)速系統(tǒng)

1、1 緒論1.1單閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)概述從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、 位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速 來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。相比于交流調(diào)速系統(tǒng)，直 流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟。直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)，使電能可以變換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高 效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，樓宇、辦 公、家庭自動(dòng)化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì) 量，使人類社會(huì)生產(chǎn)、生活發(fā)生了巨大的變化

2、。隨著新型電力電子器件的研究 和開發(fā)以及先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子和電力拖動(dòng)控制裝置的性能也不斷 優(yōu)化和提高，這種變化的影響將越來越大。1.2 MATLAB 簡介在 1980 年前后，美國的 Cleve 博士在 New Mexico 大學(xué)講授線性代數(shù)課程 時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級(jí)語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了 MatlabMATrix LABoratory ，即矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互 式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后，于 1984 年推出了該軟件的 正式版本，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。MATLABSGI 由美國 MathWorks 公司開發(fā)的大型軟件。

3、在 MATLAB 軟件 中，包括了兩大部分：數(shù)學(xué)計(jì)算和項(xiàng)目仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩 陣處理和繪圖功能。在項(xiàng)目仿真方面， MATLAB 提供的軟件支持幾乎遍布各個(gè) 項(xiàng)目領(lǐng)域。通過對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的 調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測速電機(jī)等模塊的理論分析，比較 開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用此理 論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，并用 MATLAB 仿真進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。2控制直流調(diào)速系統(tǒng)簡介2.1 V M系統(tǒng)簡介晶閘管一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 簡稱V M系統(tǒng)），其簡單原理圖如圖 2.1。圖 中VT是晶閘管的可控整流器，它可

4、以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全 波、半控、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改 變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：1 因?yàn)榫чl管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成 困難。2元件對過電壓、過電流以及過高的 du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一 指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還 應(yīng)有足夠的余量。2.2轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和 最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中耳和一般都指電機(jī)額定| 負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)

5、速。2、靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 一，與理想空載轉(zhuǎn)速引之比，稱作靜差率s，靜差率用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特 性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的必須同時(shí)提才有意義。脫離了對 靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào) 速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。3、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差，即于是，而調(diào)速范圍為上式即為調(diào)速范圍、靜差和額

6、定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或是一定的，如果對靜差越嚴(yán)，也就是s越小，系統(tǒng)能I值率的要求夠允許的調(diào)速范圍也越小。2.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖2.2所示。圖2.2采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1、忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都是線性的;2、假定只工作在V M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；3、忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié)：- A放大器：I晶閘管整流與觸發(fā)裝置：V M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性:測速發(fā)電機(jī)：-|放大器的電壓放大系數(shù);口 一一晶閘管觸發(fā)裝置的電壓放整流器與大系數(shù)；aQ速反饋系數(shù)，單位為 Vmin/r。因此轉(zhuǎn)速負(fù)

7、反饋閉環(huán)調(diào)速為閉環(huán)系統(tǒng)的開系統(tǒng)的靜特性方程I式式中 II環(huán)放大系數(shù)。靜特性：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流 或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.3所示：圖2.3轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4反饋控制規(guī)律從上面分析可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K值對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很 大，K越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍 越廣?？傊甂越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有K=x才能使匚三，而這是不可能的。2.5主要部件1、比例放大器運(yùn)算放大

8、器用作比例放大器也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器），如圖2.4，I為放大器的輸入和輸出電壓,為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響放大系數(shù)為2.5 P調(diào)節(jié)器輸出特性圖2.4 P調(diào)節(jié)器原理圖圖4-圖2.6典型控制系統(tǒng)的伯德圖PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng);PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。2、比例積分放大器在定性分析控制系統(tǒng)的性能時(shí)，通常將伯德圖分成高、中、低三個(gè)頻段,頻段的界限是大致的。圖2.6為一種典型伯德圖的對數(shù)幅頻特性。般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)圖2.7比例積分PI）調(diào)節(jié)器此傳遞函數(shù)也可以寫成如下的形式式中 F- PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)反映系統(tǒng)性能

9、的伯德圖特征有以下四個(gè)方面：1中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；2截止頻率越高，則系統(tǒng)的快速性越好；3頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好 即靜差率小，調(diào)速范圍寬）；4.頻段衰減得越快，即高頻特性負(fù)分貝 值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力越強(qiáng)。用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)是相角裕度丫和以分貝表示的幅值映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的蕩弱、超調(diào)小。裕度Lg。穩(wěn)定裕度能間接的反 平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大意味著振在零初始狀態(tài)和階躍輸入下,圖2.8階躍輸入時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸出特性圖 2.9 PI校正裝置在原始系統(tǒng)上PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性如圖2.8:

10、添加部分的對數(shù)幅頻特性將P調(diào)節(jié)器換成PI調(diào)節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為 其對數(shù)幅頻特性如圖2.9所示。由圖2.8可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時(shí)，輸出電壓突跳 到，以保證一定的快速控制作用。但是小于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)所要求的比例放大系 數(shù)的，因?yàn)榭焖傩员粔旱土?，換來穩(wěn)定性的保證。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求； 作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)主電路，假定電流連續(xù)）匸- 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢）I 額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩）定義下列時(shí)間常數(shù)：得電壓與電流間的傳遞函數(shù)為電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)為2.6穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1、

11、比例控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.11。當(dāng)時(shí)，只擾動(dòng)輸入量 ，這時(shí)的輸出量即為負(fù)載擾 動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差 n,可將動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖改畫的形式如圖 2.12。圖2.10采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差圖2.11給定為0時(shí)采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的一般情況閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差:這和靜特性分析的結(jié)果是完全一致的。2、積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差將圖2.11比例調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器如圖 2.12突加負(fù)載時(shí)，于是負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差為可見，積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的。3、比例積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差2.13。用比例積分調(diào)節(jié)器控制的閉環(huán)調(diào)

12、速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖圖2.12給定為0時(shí)采用積分調(diào)節(jié)器圖圖2.13給定為0時(shí)采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖則穩(wěn)態(tài)速差為因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。4、穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系上述分析表明，就穩(wěn)態(tài)抗擾性能來說，比例控制系統(tǒng)有靜差，而積分控制 和比例積分控制系統(tǒng)都沒有靜差。顯然，只要調(diào)節(jié)器中有積分成份，系統(tǒng)就是 無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)，則 外擾動(dòng)便不會(huì)引起穩(wěn)態(tài)誤差。3調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真3.1參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算1、參數(shù)給出1) 電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為 10kW,220V,52A,1460r/min,電樞電阻勺=0

13、.5莒 飛2 2輪力矩GD =10Nm。2).晶閘管裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次電壓=230V，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù) =40。3) .V M系統(tǒng)主電路總電阻R=1.0 Q4).測速發(fā)電機(jī)：永磁式，ZYS231/110型；額定數(shù)據(jù)為 23.1W,110V0.18A,1800r/min。5).生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10,靜差率s 5%.2、參數(shù)計(jì)算根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計(jì)算參數(shù)如下：1)為了滿足D=10, s 5%額定負(fù)載時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為2).根據(jù)，求出系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù),選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉(zhuǎn)速給定 電壓，ramp模塊作為負(fù)載擾動(dòng)，并用s

14、taturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為 傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號(hào)綜合點(diǎn)，最后加上示波器。由此建立有靜差 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并用 MATLAB軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真圖3.1有靜差調(diào)速系統(tǒng)2、主要元件的參數(shù)設(shè)置60.1，穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性在 這里不矛盾。4.總結(jié)電流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，并且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而且MATLAB軟件對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行虛擬環(huán)境下的仿真研究，不僅使用方便，也大大降低 了研究成本。在對調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域，如果直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 性能不滿足要求，可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)

15、精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反 饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可利用積分調(diào)節(jié)器代替比例 調(diào)節(jié)器。通過對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié) 器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測速電機(jī)等模塊的理論分析，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20082 馮信康，楊興瑤電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)原理與應(yīng)用北京：水利水電出版社，19853 周德澤電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19894 林瑞光電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)杭州：浙江大學(xué)出版社，2007 閻治安，崔新藝，蘇少平電機(jī)學(xué)西安：西安交通大學(xué)出版社，2006 孫亮，楊鵬自動(dòng)控制原理北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，20067 王兆安，黃俊電力電子技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20048 李維波 MAT