帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、 2009級(jí)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文題 目 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真專 業(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 2012年 5 月 15日- 21 -帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真摘要:為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（主要包括單閉環(huán)、雙閉環(huán)）。而在對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)即可。閉環(huán)系統(tǒng)較之開(kāi)環(huán)系統(tǒng)能自動(dòng)偵測(cè)把輸出信號(hào)的一部分拉回到輸入端，與輸入信號(hào)相比較，其差值作為實(shí)際的輸入信號(hào)；能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入量，能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在對(duì)調(diào)速系統(tǒng)性能有較高要求的領(lǐng)域常利用直流電動(dòng)機(jī)，但直流電動(dòng)機(jī)

2、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性不能夠滿足要求，可利用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)提高穩(wěn)態(tài)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)靜差，可采用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。MATLAB仿真在科學(xué)研究中的地位越來(lái)越高，本文就簡(jiǎn)單的帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)這個(gè)例子，通過(guò)對(duì)MATLAB的仿真，改變Un*、Kp得到不同的仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比，從而總結(jié)出如何在仿真過(guò)程中對(duì)MATLAB的仿真做到最優(yōu)選擇。 關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 單閉環(huán) 穩(wěn)態(tài)精度 比例調(diào)節(jié) MATLAB仿真 目 錄1 引言.1 2帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真原理. 2.1問(wèn)題的提出與解決.6 2.2帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理

3、 3仿真過(guò)程 3.1電力系統(tǒng)(SIMULINK)工具箱 3.2仿真原理圖3.3仿真過(guò)程331仿真具體步驟332所用元器件及其參數(shù)設(shè)置第四章結(jié)論.25參考文獻(xiàn).26 1引言直流調(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，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直

4、流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)?，F(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(diǎn)，但基本控制原理有其共性。 長(zhǎng)期以來(lái)，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)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(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對(duì)模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對(duì)決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以

5、上仿真技術(shù)中的問(wèn)題。在Simulink中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)單，而且仿真過(guò)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(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)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(shí)的非線性問(wèn)題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、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(duì)象的類型廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可

6、對(duì)各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開(kāi)始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過(guò)程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快

7、速性、可控性、經(jīng)濟(jì)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(yīng)用非常廣泛。2帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真原理2.1問(wèn)題的提出與解決晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管控制角改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速，但是存在兩個(gè)問(wèn)題，第一，全壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流大。第二，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化而變化，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速降落越大，難以在負(fù)載變動(dòng)時(shí)保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，而滿足生產(chǎn)工藝的要求。為了減少負(fù)載波動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響可以采取帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)轉(zhuǎn)速的偏差來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓，從而保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。2.2帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理 直流電動(dòng)機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L 供

8、電，并通過(guò)改變觸發(fā)器移相控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。在仿真中為了簡(jiǎn)化模型，省略了整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源直接供電。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)，放大倍數(shù)為的放大器，移相觸發(fā)器CF，晶閘管整流器和直流電動(dòng)機(jī)M,測(cè)速發(fā)電機(jī)TG等組成。該系統(tǒng)在電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速將下降，轉(zhuǎn)速反饋減小，而轉(zhuǎn)速的偏差將增大，同時(shí)放大器輸出增加，并經(jīng)移相觸發(fā)器使整流輸出電壓增加，電樞電流增加，從而使電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速也隨之升高，補(bǔ)償了負(fù)載增加造成的轉(zhuǎn)速降。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

9、的直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定特性方程為 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為 圖1 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖從穩(wěn)定特性方程可以看到，如果適當(dāng)增加放大器放大倍數(shù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降將減小，電動(dòng)機(jī)將有更硬的機(jī)械特性，也就是說(shuō)在負(fù)載變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化將減小，電動(dòng)機(jī)有更好的保持速度穩(wěn)定的性能。如果放大倍速過(guò)大，也可能造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。3仿真過(guò)程3.1電力系統(tǒng)(SIMULINK)工具箱 在MATLAB軟件的SIMULINK仿真工具中，有很多器件庫(kù)，電路仿真元件庫(kù)SimPowerSystems庫(kù)，內(nèi)部有電源(ElectricalSources)，基本元器件（Elements），特殊元件（Extra Library）

10、，電機(jī)（Machines），測(cè)量?jī)x表（Measurements），以及電力電子（Power Electronice）六個(gè)子庫(kù)。根據(jù)需要可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到有關(guān)模塊庫(kù)中。 本實(shí)驗(yàn)采用MATLAB 7.0.1版本中模塊庫(kù)，其控制子模塊庫(kù)中有6脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫(kù)中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機(jī)子模塊庫(kù)中有直流電機(jī)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(dòng)機(jī)3.2仿真原理圖帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。模型在開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真原理圖的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速給定，轉(zhuǎn)速反饋n-feed，放大器Gain1和反映放大器輸出限幅的飽和特性模塊Sa

11、turation1，飽和限幅模塊的輸出是移相觸發(fā)器的輸入，其中轉(zhuǎn)速反饋直接取自電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，沒(méi)有另加測(cè)速發(fā)電機(jī)，取轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Un*/nN。-圖3帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖在MATLAB軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。3.3仿真過(guò)程331仿真具體步驟a、點(diǎn)擊圖標(biāo)，打開(kāi)MATLAB軟件，在工具欄里根據(jù)提示點(diǎn)擊，點(diǎn)擊MATLAB ，打開(kāi)一個(gè)對(duì)話框，點(diǎn)擊里的newmodel，創(chuàng)建一個(gè)新文件。b、點(diǎn)擊工具欄的，打開(kāi)元器件庫(kù)查找新的元器件。C、原件庫(kù)如下圖所示圖4原件庫(kù)332所用元器件及其參數(shù)設(shè)置a.三相交流電源A、B、C（Three Phase So

12、urce）圖5 三相電源參數(shù)設(shè)置設(shè)置三相電壓都為220V，兩兩之間相位差為120，分別為0、-120、-240。b6-Pulse Generator圖6cUniversal Bridge普通的橋電路起著過(guò)載保護(hù)作用，防止電流過(guò)大燒壞電機(jī)。圖7d DC Machine（直流電動(dòng)機(jī)）直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異。F+和F-是直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的連接端，A+和A-是電機(jī)電樞繞組的聯(lián)結(jié)端，TL是電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸入端。m端用于輸出電機(jī)的內(nèi)部變量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩四項(xiàng)

13、參數(shù)。修改參數(shù)電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為0.210.0021，勵(lì)磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為146.70，勵(lì)磁和電樞互感（Field-armature mutual inductance）為0.84，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數(shù)（Viscous friction coefficient）為0.01，庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。圖8 直流電機(jī)e.Fcn圖9

14、f. Un*圖10g.直流電源圖11 h.放大器，設(shè)置放大系數(shù)（Gain 1）圖12i.ud1圖13j.Sum圖14k.block圖15l.Saturation圖16m.Ramp圖17n.電感L圖183.2.3設(shè)定模型仿真參數(shù)，仿真時(shí)間5s圖192.1仿真結(jié)果由以上原理圖繪制，參數(shù)設(shè)置，以及波形調(diào)試得出以下仿真結(jié)果，其波形圖如下所示：以下波形分別為轉(zhuǎn)速n，電樞電流Ia，勵(lì)磁電流If，轉(zhuǎn)矩Ta） 轉(zhuǎn)速nUn*=10, Kp=5時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Un*=10, Kp=10時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Un*=5, Kp=10時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Un*=10,Kp=200時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線 b） 電樞電流IaC）勵(lì)磁電流If f

15、）轉(zhuǎn)矩T 3.1仿真分析從上圖仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理論分析的波形。 在額定轉(zhuǎn)速， 時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖6a 所示(圖中為 ) ，隨著放大器放大倍數(shù)的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速提高，即穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降減小。圖6b 所示為時(shí)的電流響應(yīng)波形，從波形可以看到由于沒(méi)有電流的限制措施，在起動(dòng)過(guò)程中電流仍很大可達(dá)89A 左右。圖7b 所示為1/2 額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，以 和200 兩種情況比較，在時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降減小但是調(diào)節(jié)過(guò)程中的振蕩次數(shù)增加，這從相應(yīng)的移相控制信號(hào)變化也可以看到相同的情況(見(jiàn)圖7a) ，由于晶閘管整流器控制的非線性，其輸出電壓只能在 范圍內(nèi)變化，盡管放大倍數(shù)很高，轉(zhuǎn)速還沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)

16、重的不穩(wěn)定現(xiàn)象。4.1總結(jié)課程設(shè)計(jì)是把書(shū)本上的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活的一種方式，通過(guò)課程設(shè)計(jì)我們可以更好的掌握課本上的知識(shí)，還可以通過(guò)查找資料的同時(shí)了解一些前沿的技術(shù)與產(chǎn)品，對(duì)我們的以后學(xué)習(xí)生活大有裨益。就如這次課程設(shè)計(jì)，我需要查找很多資料，學(xué)習(xí)使用matlab這個(gè)從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)的軟件，在這過(guò)程中，鍛煉了我們自學(xué)的能力，檢索資料的能力，分析問(wèn)題的能力。整流技術(shù)作為電力電子中重要的一門技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛，我們?cè)跁?shū)本上得到的只是理論上的系統(tǒng)波形，通過(guò)matlab的仿真可以驗(yàn)證理論的正確與否，加深對(duì)自動(dòng)控制的理解。當(dāng)用matlab仿真出現(xiàn)理論波形的時(shí)候，真的有一種成就感，自信心得到提升。通過(guò)本次課設(shè)，自己的動(dòng)手能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)，深刻的體會(huì)到