基于Matlab的αβ配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)仿真

1、內蒙古科技大學本科生課程設計論文題 目：=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)仿真學生姓名：XXX 學 號：XXXXXXXXX專 業(yè)：XXXX班 級：XXXX 指導教師：XXXXX 2010年 12月 25日內蒙古科技大學課程設計任務書課程名稱Matlab語言與控制系統(tǒng)數(shù)字仿真設計題目=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)仿真指導教師李琦時間2010年12月20日至24日一、教學要求1、理解直流可逆調速系統(tǒng)的基本工作原理；2、通過=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)的建模，掌握使用Matlab/Simulink軟件及Power System工具箱對直流調速系統(tǒng)的建模與仿真方法；3、理解=配合控制的有環(huán)流

2、直流可逆調速系統(tǒng)中，正轉、反轉過程中轉速與電流的變化曲線，以及本橋逆變和反接制動階段電樞電流、電機轉速、電機反電動勢以及平波電感反電動勢的變化曲線；4、掌握=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)中，兩組整流器的環(huán)流分析方法，理解電機從正轉到反轉的機械特性。二、設計資料及參數(shù) 設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）P169-176頁。 本設計涉及到的控制原理、電力拖動自動控制系統(tǒng)等內容參考相關專業(yè)課教學內容。設計參數(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）P169-176頁。三、設計要求及成果1、利用Simulink及Power System工具

3、箱建立基于Power System的=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)模型；2、繪制并分析=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)中，正轉、反轉過程中轉速與電流的變化曲線；3、繪制并分析=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)中，本橋逆變和反接制動階段電樞電流、電機轉速、電機反電動勢以及平波電感反電動勢的變化曲線；4、繪制并分析=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)中，兩組整流器的環(huán)流變化曲線，繪制并分析電機從正轉到反轉的機械特性變化曲線；5、撰寫不少于2000字的設計報告。設計報告要求提交紙質文檔，設計報告包括設計背景、設計原理、設計過程、結果分析等幾個部分，要求給出設計模型圖以及仿真結果圖。相關Matla

4、b/Simulink設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)設計與優(yōu)化（一天）編寫技術設計書（一天）五、評分標準課程設計成績評定依據(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）方案的設計是否可行和優(yōu)化(40%)；4）課程設計技術設計書編寫水平(占30%)。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級?？己朔绞剑涸O計期間教師現(xiàn)場檢查；評閱設計報告。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

5、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，清華大學出版社，1994. 5 第1版目錄課程設計任務書.2題目.51.=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的建模.5 1.1=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的工作原理.6 1.2 電力系統(tǒng)(Power System)工具箱.6 1.3 =配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的建模.7 1.3.1 移相控制器的封裝.7 1.3.2 帶限幅的PI調節(jié)器的封裝.7 1.3.3 =配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)整體的建模.82.= 配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)仿真實例及分析 .9 2.1 系統(tǒng)主要環(huán)

6、節(jié)的仿真參數(shù).9 2.2 仿真波形及分析.103.結論.13參考文獻.14題目：=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)仿真摘 要:針對面向系統(tǒng)傳遞函數(shù)結構圖仿真方法的不足，提出了一種基于MATLAB的Simulink和Power System工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結構圖的仿真新方法，實現(xiàn)了轉速與電流雙閉環(huán)=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的建模與仿真分別介紹了同步脈沖觸發(fā)器、移相器控制器和PI調節(jié)器的建模，給出了直流可逆調速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結果，仿真結果表明了仿真算法可信度較高。關鍵詞:= 配合控制;直流電機;MATLAB仿真;移項控制器Abstract: A novel method of co

7、nstruction & simulation was put forward for the model of = moderating control DC SR system based on Matlab Simulink & Power System Blockset, because it was shortage for facing system transfer function construction drawing to simulate. The model of synchronized 6-pulse generator, shifter and

8、PI controller were introduced.and the simulation results&models for the = moderating control DC SR system were provided. Simulation results show that simulation method is correct with high credibility.Key words:=moderating control; DC motor; MATLAB simulation; shifter引言品閘管反并聯(lián)的電樞可逆線路是可逆調速系統(tǒng)的典型線路之

9、一。這種線路有能實現(xiàn)叫逆運行、回饋制動等優(yōu)點，同時止轉制動和反轉啟動完全銜接起來，沒有間斷或死區(qū)，這是有環(huán)流調速系統(tǒng)的優(yōu)點，特別是用于要求快速止反轉的中小容量的系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)安全，必須增加環(huán)流電抗器以消除其中的環(huán)流。=控制的有環(huán)流可逆調速方式，在實際應用中由于難以準確保持=的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)時，就有可能產生直流環(huán)流，使整流器過載或損壞，故實際上并不采用，但研究=控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，對理解直流電動機的可逆過程有很大幫助。本文采用MATLAB 的Simulink和Power System工具箱，介紹如何實現(xiàn)=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的建模與仿真。1 =配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的建?？刂葡到y(tǒng)傳

10、統(tǒng)的計算機仿真是用傳遞函數(shù)方法來完成的，各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是將實際模型經過一定的簡化而得到的，很多重要細節(jié)會被忽略Power System工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法與構建實際電路相似，仿真結果非常接近于實際。1.1 =配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的工作原理=配合控制的有環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)的電氣原理圖如圖1所示。圖中，主電路由兩組三相橋式.晶閘管全控型整流器反并聯(lián)組成，并共用同一路三相電源。由于采用=配合控制方式，在兩組整流器之間沒有直流環(huán)流，但還存在脈動環(huán)流，為了限制脈動環(huán)流的大小，在主電路中串入了四個均衡電抗器Lc1Lc4，用于限制脈動環(huán)流。平波電抗器Ld，用于減少電動

11、機電樞電流的脈動，減少電樞電流的斷續(xù)區(qū)，改善電動機的機械特性。系統(tǒng)的控制部分采用了轉速和電流的雙閉環(huán)控制。由于可逆調速電流的反饋信號小不僅要反映電樞電流的大小還需要反映電樞電流的方向，因此電流反饋一般用直流電流互感器或霍爾電流檢測器，在電樞端取電流信號。為了確保兩組整流器的工作狀態(tài)相反，電流調節(jié)器的輸出分兩路，路經止組橋觸發(fā)器GTF控制正組橋整流器，另路經倒相器AR、反組橋GTR控制反組橋整流器。圖11.2 電力系統(tǒng)(Power System)工具箱 電力系統(tǒng)工具箱以Simulink為運行環(huán)境，涵蓋了電工學科中常用的基本元件庫。它由電源、基本元件、電力電子、電機、連接件、測量等6個模塊庫組成，

12、根據(jù)需要可以組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到有關模塊庫中。 本實驗采用MATLAB 7.0.1版本中模塊庫，其控制子模塊庫中有6脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機子模塊庫中有直流電機模塊，如圖2所示。圖2 六脈沖觸發(fā)器、三相晶閘管整流橋、直流電動機1.3 =配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的建模 組成=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的主要子模塊包括：三相交流電源，正、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發(fā)器、速度和電流調節(jié)器ASR 及ACR、倒相器、移相控制器，直流電動機。除了PI調節(jié)器和移相控制器模塊需要自己封裝外，其余均可從有關模塊庫中直接復制。1.3.1

13、移相控制器的封裝 觸發(fā)器的控制角(alpha_deg端)通過了移相控制環(huán)節(jié)(shifter),移相控制模塊的輸入是移相控制信號Uc，輸出是控制角，移相控制信號Uc由常數(shù)模塊設定。移相特性如圖3所示。移相特性的數(shù)學表達式為： 圖3 移項特性及子函數(shù)模塊在本模型中取 min=30°,Ucm =+lOV ，所以 =90°-(6*Uc) . 帶限幅的PI調節(jié)器的封裝 仿真模型與系統(tǒng)動態(tài)構圖的各個環(huán)節(jié)基本上是對應的。需要指出的是。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉速和電流兩個調節(jié)器都是有飽和特性和帶輸山限幅的PI調節(jié)器，為了充分反映在飽和限幅非線性影響下調速系統(tǒng)的上作情況，需要構建考慮飽和輸出限幅的PI

14、調節(jié)器，過程如下:線性PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為式中,Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù); = KpKi。上述PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調用SIMULINK中的傳遞函數(shù)或零極點模塊。而考慮飽和和輸出限幅的PI調節(jié)器模型如圖4所示。模型中比例和積分調節(jié)分為兩個通道，其中積分調節(jié)器 integrate 的限幅表示調節(jié)器的飽和限幅值，而調節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊 Saturation 設定。當該調節(jié)器用作轉速調節(jié)器 ASR時,在起動中由于開始轉速偏差大，調節(jié)器輸出很快達到輸出限幅值，在轉速超調后首先積分器退飽和，然后轉速調節(jié)器輸出才從限幅值開始下降。為了使系統(tǒng)模型更簡潔，利用了SIMULINK 的打包功

15、能 (Great Subsystem) 將調節(jié)器模型縮小為一個分支模塊，如圖所示。圖4 帶飽和和輸出限幅的PI 調節(jié)器及子系統(tǒng)模塊1.3.3 =配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)整體的建模 將封裝后的反組整流器與正組整流器，給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、直流電動機等一起可構成=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的仿真模型。在電動機的負載轉矩輸入端TL接入了階躍 (Step)模塊，用于設置負載轉加載的時刻，和用于限制負載轉矩的最大值，如圖5所示。圖5 = 配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)整體的模型 2 = 配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)仿真實例及分析 = 配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)的仿真模型中，交流電源( a u 、 b u

16、 、 c u )兩組反并聯(lián)的整流器(VF、VR)和兩組觸發(fā)器(Synchronized 6-Pulse Generator)、環(huán)流電抗器( Lc1 Lc4 )、平波電抗器 Ld 和電動機組成可逆系統(tǒng)的主電路?？刂苹芈酚赊D速給定、轉速調節(jié)器ASR、電流調節(jié)器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模塊組成。其中給定環(huán)節(jié)可以通過切換開關(Manual Switch)選擇電動機轉向，在需要改變轉向時， 雙擊該開關即可正轉到反轉或反轉到正傳的給定切換。 轉速和電流的反饋信號均取自電動機測量單元的輸出。 轉速調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR由帶輸出限幅的PI調節(jié)器分支電路來完成。2.1 系統(tǒng)主要

17、環(huán)節(jié)的仿真參數(shù) 給定信號：有兩個常數(shù)模塊和手動切換開關組成。電源：交流220V 50Hz 直流 220V電機參數(shù)：電樞電阻Ra=0.21 ;電樞電感 La=2mH;轉動慣量J=1.29kg·m;勵磁電阻Rf=14.7歐姆；勵磁電感Lf=0亨勵磁與電樞繞組互感Laf=0.084；其它為元件默認值。 ASR 為PI調節(jié)器，其中： Kp=11.7 ; Kn = 11.49。 ACR 為PI調節(jié)器，其中： Kp=1.786 ; Ki=33.3 。 電抗器： Lc1 Lc4 為0.02H,Ld 的值為0.035H。 2.2 仿真波形及分析 對圖5的=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)進行仿真，得到調速

18、系統(tǒng)在幅值為10的正、負階躍給定信號、仿真時間為8s的情況下，得到電樞轉速和電流的仿真波形如圖6所示。圖中電流和轉速為相對值。從仿真曲線知，當系統(tǒng)給定信號變極性時：輸出轉速能夠很好地跟隨轉速給定信號，過渡過程性能較好；轉速極性也隨著給定信號改變極性；由于電機有機械慣性的濾波作用， 速度輸出響應曲線諧波成分較少。 隨著給定信號改變極性電樞電流也改變極性(圖中b中有正、負變化)，說明實現(xiàn)了轉矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動態(tài)性能較好；由于=配合控制的直流可逆調速系統(tǒng)可實現(xiàn)快速回饋制動，轉速換向時減速很快，換向性能較優(yōu)，速度仿真曲線很好地證明了這一點。 (a)電樞轉速 (b)電樞電流 圖6 仿真

19、后系統(tǒng)轉速及電樞電流的波形 仿真了8s的變化過程，其中 0- 2.5s 為系統(tǒng)的正轉起動過程，2.5 -4 為系統(tǒng)的加載過程， 4 - 8s 為系統(tǒng)的反轉過程。在起動過程中可以看到，系統(tǒng)經歷了電流上升、恒流升速和轉速調節(jié)三個階段，在轉速超調后電流迅速下降并且出現(xiàn)負向電流，這與不可逆調速系統(tǒng)的起動過程不同，因為不可逆調速系統(tǒng)不能產生反向電流，而可逆系統(tǒng)反轉整流器可以提供反向電流，并加快起動的調節(jié)過程。因為是理想空載起動，起動結束時電樞電流為零。在 2.5s 時，電動機加上負載，轉速發(fā)生波動，并且電流增加，經過Is左右時間的調整，系統(tǒng)達到新的平衡狀態(tài)，轉速恢復到 1450r/min，電流上升到12

20、0A 。在起動后 4s 轉速給定轉速從" + "切換到"-"，系統(tǒng)進入反轉的調節(jié)狀態(tài)。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負的最大值，電動機轉速也由正變負，系統(tǒng)經歷了本橋逆變和反接制動兩個階段。這兩個階段的放大波形如圖7所示。 （a） （b） （c） （d）圖7 本橋逆變和反接制動階段分析a) 電樞電流 b) 電動機轉速 c) 電動機反電動勢d) 平波電感反電動勢 從3.998s反轉過程開始到8s時間內，電動機的正向電流下降(見圖7a)，轉速沒有太大的變化(見圖7b) ，平波電感的反電動勢為負，與電動機電樞反電動勢方向相反，且平波電感的反電動勢大于電動機電樞

21、電動勢(見圖7c和圖7d)，因此是平波電感儲能釋放，維持電動機的正向電流。這時，仍是正組橋導通，其控制角為，系統(tǒng)進入了本橋逆變階段。在4s之后，電樞電流開始改變方向，并反方向增加，反組橋進入整流，系統(tǒng)開始反接制動階段，電動機轉速下降。在 4.01s 左右，電流開始反向超調，這時在系統(tǒng)電流環(huán)的調節(jié)下反組整流器變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，轉速和電動機反電動勢進一步減小，電動機的慣性儲能釋放，并經反組整流器流回電網，這是系統(tǒng)的回饋制動階段。在4.3s 轉速下降為零時回饋制動階段結束，系統(tǒng)叉開始反向恒流起動過程，直到電動機進入反轉的穩(wěn)定運行階段。圖8所示為上述= 可逆調速系統(tǒng)的環(huán)流分析。其中圖 a 、 b 分別為正轉時 3.5 - 3.56s 內正組和反組整流器的輸出流波形，正組整流器電流中包含了電動機負載電流和環(huán)流，反組整流器電流中只有脈動的環(huán)流成分，而電動機的電樞電流基本上是平穩(wěn)的直流(Id=Ivr+Ivf。）圖8c所示為電動機從正轉起動到反轉過程中的轉矩/轉速曲線(機械特性)。從機械特性可以看到正反轉過程經歷了特性的三個象限，其中，第一象限電動機工作于正轉電動狀態(tài)，并在起動過程中電動機基本保持了最大轉矩的升速;在第二象限電動機轉矩變?yōu)樨?，轉速減小，電動機工作于正轉發(fā)電制動狀態(tài)，這時電動機轉速迅速下降到零;在第三象限電動機以最大反向轉矩反向升速，最后穩(wěn)定在反