開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)建模與仿真

1、 電控學院運動控制系統(tǒng)仿真課程設計 院 （系）： 電氣與控制工程學院 專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)建模與仿真摘 要： MATLAB仿真在科學研究中的地位越來越高，如何利用MATLAB仿真出理 想的結果，關鍵在于如何準確的選擇MATLAB的仿真。本文就簡單的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真這個例子，通過對MATLAB的仿真，得到不同的仿真結果。通過仿真結果的對比，對MATLAB的仿真進行研究。從而總結出如何在仿真過程中對MATLAB的仿真做到最優(yōu)選擇。 詳細介紹了用MATLAB語言對電機與拖動中直流電動機調(diào)速仿真實驗的仿真方法和模型建立。其仿真結果與理論分析一致，表明

2、仿真是可信的，可以替代部分實物實驗。首先在分析直流調(diào)速系統(tǒng)原理的基礎上, 介紹了基于數(shù)學模型的仿真, 在仿真中可靈活調(diào)節(jié)相關參數(shù), 優(yōu)化參數(shù)設計。其次完成了基于系統(tǒng)框圖, 并分析了調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾能力。采用工程設計方法對開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設計,選擇調(diào)節(jié)器結構,進行參數(shù)的計算和校驗；給出系統(tǒng)動態(tài)結構圖,建立起動、抗負載擾動的MATLAB 仿真模型。分析系統(tǒng)起動的轉速和電流的仿真波形,并進行調(diào)試,使開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理與完善。1.1課題背景 直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。在20世紀60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計算機的結合促進了電力傳動控制技術研究

3、和應用的繁榮。晶閘管-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術越趨成熟，以及交流電動機的經(jīng)濟性和易維護性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎。現(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。 長期以來，仿真領域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。

4、 由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結果的分析也必須依賴有關專家，而對決策者缺乏直接的指導，這樣就大大阻礙了仿真技術的推廣應用。 MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結果進行分析和可視化。 Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實的非線性問題的模型，如現(xiàn)實世界中的摩

5、擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，可以是機械的、電子的等現(xiàn)實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。 傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機的

6、調(diào)速性能和轉矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉變流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應用非常廣泛。 1.2直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理 1.2.1仿真原理 直流電動機電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L 供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc 調(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速。 任何一臺需要控

7、制轉速的設備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉速與最低轉速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運行時允許轉速波動的大小，從正轉運行變到反轉運行的時間間隔，突加或突減負載時允許的轉速波動，運行停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉速控制的要求有以下三個方面： (1) 調(diào)速。在一定的最高轉速和最低轉速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉速。 (2) 穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 (3) 加、減速。頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平

8、穩(wěn)。 為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個指標合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即 = 其中，和一般都指電動機額定負載時的最高和最低轉速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉速。 (2) 靜差率 當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率s，即 或用百分數(shù)表示 ´D 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉速的穩(wěn)定度的。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜

9、差率越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。 由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設計要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速進所能達到的數(shù)值為準。 (3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關系 在直流電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉速Nn作為最高轉速，若額定負載

10、下的轉速降落為D，則按照上面分析的結果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉速為 ( 而調(diào)速范圍為 將上面的式代入，得 () 表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由此可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 2設計參數(shù)：2.1控制對象電機參數(shù)為：直流調(diào)速系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下:晶閘管三相橋式全控整流電路供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),直流電動機:220V,136A,1460r/min,電樞電阻Ra=0.2,允許過載倍數(shù)=1.5;電樞回路總電阻:R=0.5,電樞回路總電感:L= 15mH,電動機軸上

11、的總飛輪力矩:GD2= 22.5N·m2,晶閘管裝置:放大系數(shù)Ks=40,電流反饋系數(shù):=0.05V/A,轉速反饋系數(shù):=0.007Vmin/r,濾波時間常數(shù):Toi=0.002s ,Ton=0.01s2.2相關參數(shù)的計算：查表可得三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.00167s電磁時間常數(shù) ：機電時間常數(shù) :3.設計方案：3.1直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真有兩種方法：1：根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖進行仿真 2：用power system的相關模塊仿真 本次設計比較簡單所以采用方法一 仿真模型與結果3.2仿真模型:3.3無干擾時電流和轉速波形：3.4加入擾動后電流和轉速的波形：4.實驗心得：本次控

12、制系統(tǒng)仿真設計實習中，我學到了MATLAB仿真的一些方法，更加深入的了解了MATLAB這款非常優(yōu)秀的數(shù)學軟件。通過它使我對運動控制系統(tǒng)的設計有了很大的幫助。MATLAB是一個基于矩陣運算的軟件，它的運算功能非常強大，編程效率高，強大而智能化的作業(yè)圖功能，可擴展性強，MATLAB動態(tài)仿真功能，主要用于仿真、驗證、算法思想是正確。利用MATLAB，可以使原本復雜的計算過程大大簡化，在處理矩陣、復數(shù)運算的過程中尤其明顯。  本次設計是電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)這門課的一次課程設計，主要目標是設計一個符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)這門課是我們自動化專業(yè)的一門綜合性非常強的課程，它綜合了之前學習過的模擬電子技術、自動控制原理、電力電子技術及電機拖動技術等課程的很多知識點，所以，本次設計也是對以前