SimPowerSystem直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計論文內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生課程設(shè)計論文 題 目：SimPowerSystem直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 班 級： 指導(dǎo)教師： 2013年 11月 2日 內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱控制系統(tǒng)仿真設(shè)計題目使用SimPowerSystem的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真指導(dǎo)教師李琦時間2013年10月28日至11月1日一、教學(xué)要求1、直流電機調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理；2、通過對直流電機調(diào)速系統(tǒng)的建模，掌握使用Matlab/Simulink軟件及Power System工具箱對直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真方法；3、理解直流調(diào)速系統(tǒng)中，開環(huán)、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)及帶電流截

2、止副反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，理解以上系統(tǒng)的啟動過程電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的變化，以及調(diào)速過程中轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。二、設(shè)計資料及參數(shù) 設(shè)計資料詳見電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.3.1-6.3.2節(jié)； 本設(shè)計涉及到的控制原理、電力拖動自動控制系統(tǒng)等內(nèi)容參考相關(guān)專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計參數(shù)：見電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.3.1-6.3.2節(jié)；三、設(shè)計要求及成果1、利用Simulink及Power System工具箱建立直流電動機轉(zhuǎn)速電流雙單閉環(huán)系統(tǒng)模型，并仿真；2、設(shè)計速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)；3、分析以上仿真中，啟動過程電流、

3、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的變化，以及調(diào)速過程中轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。通過示波器觀察仿真結(jié)果，并結(jié)合電力拖動自動控制系統(tǒng)課程中的內(nèi)容驗證仿真的正確性;4、撰寫不少于3000字的設(shè)計報告。設(shè)計報告要求提交紙質(zhì)文檔，設(shè)計報告包括設(shè)計背景、設(shè)計原理、設(shè)計過程、結(jié)果分析等幾個部分，要求給出設(shè)計模型圖以及仿真結(jié)果圖。相關(guān)Matlab/Simulink設(shè)計文件要求提交電子文檔。四、進度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/Simulink建模（兩天）控制系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化（一天）編寫技術(shù)設(shè)計書（一天）五、評分標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計成績評定依據(jù)包括以下幾點：1）工作態(tài)度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設(shè)計是否可

4、行和優(yōu)化(40%)；4）課程設(shè)計技術(shù)設(shè)計書編寫水平(占30%)。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級。考核方式：設(shè)計期間教師現(xiàn)場檢查；評閱設(shè)計報告。六、建議參考資料1、控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD，李國勇，電子工業(yè)出版社，2003年9月第1版2、電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真,洪乃剛，機械工業(yè)出版社，2006年5月第1版3、電力拖動自動控制系統(tǒng)，陳伯時，機械工業(yè)出版社，1991年，第2版4、自動控制原理上、下冊，吳麒，清華大學(xué)出版社，1994. 5 第1版 目錄一、 引言5二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5三、 系統(tǒng)各模塊參數(shù)設(shè)置61、直流電機的參數(shù)63、整流電路的參數(shù)74、觸發(fā)脈沖發(fā)

5、生器參數(shù)75、移相控制單元參數(shù)76、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)7四、 仿真系統(tǒng)建模81、系統(tǒng)模型仿真8五、 仿真結(jié)果分析91、電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線92、電樞電流調(diào)節(jié)曲線93、電樞電壓調(diào)節(jié)曲線104、負載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)曲線11六、 結(jié)論12參考文獻12 SimPowerSystem的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真1、引言MATLAB 下的 SIMULINK 軟件具有強大的功能，而且在不斷地得到發(fā)展，隨著它的版本的更新，各個版本的模塊瀏覽器的表示形式略有不同，但本書所采用的都是基本仿真模塊，可以在有關(guān)的組中找到，在進一步地學(xué)習(xí)和應(yīng)用SIMULINK 軟件的其它模塊后，會為工程設(shè)計帶來便捷和精確。在工程設(shè)計時，首先根據(jù)典型 I

6、型系統(tǒng)或典型型系統(tǒng)的方法計算調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后利用MATLAB 下的 SIMULINK 軟件進行仿真，靈活修正調(diào)節(jié)器參數(shù)，直至得到滿意的結(jié)果。 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是最典型的直流調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)的仿真可以根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖進行，也可以用 Power System 的模塊來組建。兩種仿真不同在于主電路，前者晶閘管和電動機用傳遞函數(shù)來表示，后者使用晶閘管整流器和電動機模型，而控制部分是相同的。由于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的晶閘管整流器和電動機傳遞函數(shù)是線性的，其電流可以反向，因此仿真結(jié)果略有不同，采用晶閘管整流器和電動機模型的仿真可以更好地反映系統(tǒng)的工作情況。 2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 如圖1

7、電機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器分別控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電機電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電機電流增大，從而使電機獲得加速轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即給定電流減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電機電流下降，電機將因為電磁轉(zhuǎn)矩減小而減速。在當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達到限幅值時，電流環(huán)即以最大電流限制Idm實現(xiàn)電機的加速，使電機的啟動時間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)電機的快速制動。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能

8、產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電機快速制動。 圖1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖2所示為直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖 圖2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖3、系統(tǒng)各模塊參數(shù)設(shè)置 3.1 直流電機的參數(shù) 電樞電阻 Ra= 0.21 整流電路電樞 Rrec=1.3 勵磁電阻 RL=146.7 勵磁電感 La=0H 平波電抗器 Lp=200mH 轉(zhuǎn)動慣量 J=0.57Kg·m2 電樞繞組和電磁繞組的互感 Laf=0.84H 感應(yīng)電動勢系數(shù)Ce=0.132V·min/r 電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=9.5Ce 電動機轉(zhuǎn)矩時間常數(shù)：Tm=GD2R/375CeCm=0.161s 電動機電磁時間常數(shù)：TL=L

9、/R=0.076s 3.2 三相電源的參數(shù) 采用星形連結(jié)的三相交流電作為系統(tǒng)的電源，幅值為130×Sqrt(2)V； 相位一次相差120o；3.3 整流電路的參數(shù) 采用6個可控硅作為三相橋式全控整流電路的開關(guān)管，導(dǎo)通電阻為 Ron=1e-3 ， 內(nèi)部電感Lon=0 ；3.4 觸發(fā)脈沖發(fā)生器參數(shù) 6個脈沖相位間隔為60o；3.5 移相控制單元參數(shù) 移相特性的數(shù)字表達式：=90o+6UC; 3.6電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流反饋濾波時間常數(shù) Toi=0.002s 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.01s 三相晶閘管整流平均失控時間 Ts=0.0017s 電流環(huán)小時間常數(shù) Ti=Ts+ Toi=0.

10、0037s 電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，WACR(S)=Ki·（1+TiS）/TiS，可調(diào)比例系數(shù)： Ki=2.84，積分時間常數(shù)=0.076s；電流反饋系數(shù)=0.05；積分飽和值12V， 輸出限幅值10V。 3.7轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，WASR(S)=Kn（1+TnS）/TnS可調(diào)比例系數(shù)： Kn=10.49，積分時間常數(shù)Tn=0.087s；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.00667；積分飽和 值12V，輸出限幅值10V。4、仿真系統(tǒng)建模采用 Simulink 工具箱中的 Power System 模塊組成的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖4所示。模型由晶閘管直流電動機組成的主

11、回路和轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成的控制回路兩部分組成。其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機等環(huán)節(jié)使用 Power System 模型庫的模塊。控制回路的主體是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均取自電動機測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，減小了測速和電流檢測環(huán)節(jié)，這不會影響仿真的真實性。電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出端其后面的環(huán)節(jié)運算后，得到移相控制電壓，去控制整流橋的輸出電壓。 圖4 系統(tǒng)仿真模型圖 5、仿真結(jié)果分析5.1 電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線 圖5.1 調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線 5.4電樞電流調(diào)節(jié)曲線圖5.2 調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)曲線 如圖5.1、5.2所示，在雙閉環(huán)直流

12、電機調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)經(jīng)歷一下接個階段第一階段：電流上升階段，在這一階段中，ASR很快接入并保持飽和狀態(tài)。第二階段：恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。在這個過程中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第三階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始推飽和狀態(tài)，ACR的輸入和電樞電流開始迅速減小，當(dāng)電樞電流等于負載電流時，轉(zhuǎn)速達到峰值。此后，電動機在負載的阻力下減速，并經(jīng)歷一個動態(tài)調(diào)節(jié)過程直到穩(wěn)定。在加入了一定的負載之后，電機的轉(zhuǎn)速會下降，轉(zhuǎn)速差會加大，ACR的輸入增大

13、，電流差增大，在ACR的調(diào)節(jié)作用下，三相整流電路的控制脈沖的移相角減小，直流電機的輸入電壓增大，電樞電流快速上升；此時，電樞轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速開始上升，經(jīng)歷一個動態(tài)調(diào)節(jié)過程，最后轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，電樞電流等于負載電流。 5.3電樞電壓調(diào)節(jié)曲線圖5.3 調(diào)速系統(tǒng)電樞電壓調(diào)節(jié)曲線如圖5.3所示，在電機空載起動過程中，電樞電壓在最初時會有一個快速上升階段，然后經(jīng)歷一個動態(tài)調(diào)節(jié)過程達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)加入負載后，電樞電壓迅速上升，是系統(tǒng)的電樞電壓達到新的平衡狀態(tài)。5.4負載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)曲線圖5.4 調(diào)速系統(tǒng)電樞電壓調(diào)節(jié)曲線 如圖5.4所示 6、結(jié)論 本文采用工程設(shè)計法， 設(shè)計了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 并結(jié)合Simulink 實用工具對系統(tǒng)進行了仿真； 通過轉(zhuǎn)速仿真圖像可以直觀的看到， 試駕負載后，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)預(yù)定的轉(zhuǎn)速，并