雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究張巍08118085自動化0812摘要：本文采用MATLAB軟件中的Simulink控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)進行計算機輔助設計，并用Simulink進行動態(tài)數(shù)字仿真，同時查看仿真波形,以此驗證設計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行，有助于對閉環(huán)控制系統(tǒng)的學習和研究。關鍵詞：閉環(huán)控制電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)MATLAB仿真0引言在實際工業(yè)應用中許多機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能。在咼性能的拖動技術領域中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中

2、發(fā)展得最為成熟，應用最廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。MATLAB仿真對閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析有很大幫助。1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有三種：一、直接在MATLAB編寫程序，編譯運行得到仿真結(jié)果。這種方法對編程技能要求較高，往往比較復雜容易出錯。二、面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用PowerSystem工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。這種方法適用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)。三、以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。這種方法簡捷、準確容易使用，本次仿真研究采用這種方法圖1.1雙閉環(huán)調(diào)速

3、系統(tǒng)的仿真圖仿真結(jié)果如下:250C2001501001：500圖1.2圖1.3用繪圖命令plot(tout,yout)在MATLAB命令窗口里繪制圖形，觀察仿真輸出，如上圖所示：上圖藍線為電機轉(zhuǎn)速曲線，綠線為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(huán)將電機速度提高，并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。2電流環(huán)的仿真、電流環(huán)的輸出特性分析位置。擾動信號2指待諸如電動機里的各種參數(shù)變化引起的擾動，即負載擾動；擾動信號3指待諸如電網(wǎng)電壓的波動變化引起的擾動以及晶閘管整流與移相觸發(fā)裝置參數(shù)變化所引起的擾動等。圖中未考

4、慮反電動勢的作用，因為反電動勢信號不在環(huán)內(nèi)。另外，圖中在電流調(diào)節(jié)器輸出端已設置了限幅裝置。分別對1編程，對2、3進行仿真：G1=tf(1,0.0051);G2=tf(0.0050.24,0.0210);G3=tf(60,0.00171);G4=tf(0.19,0.0211);G5=tf(0.5747,0.0051);G6=feedback(G2*G3*G4,G5);G=G1*G6;Step(G)Simulink曲線圖如圖2.2和圖2.3a和2.3b所示。System:G6.2O.8IJ.-.K0.2IJ.4IJ.圖2.2電流環(huán)階躍響應Simulink曲由圖2.2可以看出超調(diào)量&二4.65%，系

5、統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時間tp二.393s,非常短，電流立即下降至恒定并在0.07s內(nèi)響應即結(jié)束，這樣的階躍響應是很理想的。這正好驗證了按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán)其超調(diào)量會很小的事實。我們知道超調(diào)量可以反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好，由此可見電流環(huán)還是比較穩(wěn)定的。它的上升時間是0.0183s,上升時間是用來反映動態(tài)響應的快速性的，同樣，電流環(huán)的動態(tài)響應是比較快的?？梢?，系統(tǒng)的跟隨性能是很好的。二、電流環(huán)抗擾性能分析na）電流環(huán)抗負載擾動b）電流環(huán)抗電網(wǎng)電壓擾動圖2.3電流環(huán)單位階躍信號擾動響應曲線圖2.3a為電流環(huán)在擾動作用點2施加單位階躍信號的擾動響應曲線，可知其性能指標:最大

6、動態(tài)降落：ACmax=0.072最大動態(tài)降落時間:t=0.012sp同理，圖2.3b為電流環(huán)在擾動作用點3施加單位階躍信號的擾動響應曲線，由圖可知其性能指標:最大動態(tài)降落：ACmax=4最大動態(tài)降落時間:t=0.019sp對大多數(shù)機器設備，控制系統(tǒng)的抗擾性能指標是至關重要的，它比系統(tǒng)的跟隨性能指標更為人們所關注。對于電流環(huán)，通過上面的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有如下幾點：1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對負載的大幅度突變也有良好的抗擾能力。3）從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在0.1s內(nèi)即可達到穩(wěn)定，可見

7、它的響應速度是非?？斓?，這也是我們設計此系統(tǒng)的原因之一。三起動過程電動機的電流輸出仿真分析下面是模擬電動機的起動過程。電流的仿真曲線如圖2.4所示。在圖中我們可以看到，電動機起動時電流維持在最大值，經(jīng)過一段時間電流下降至負載電流。由此可見，它與我們前面所敘述的起動過程的電流波形基本上是一致的，仿真結(jié)果與理論分析較為吻合。圖2.4電動機在階躍給定信號下電流輸出Simulink曲線3轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真分析在分析完電流環(huán)后需要分析一下轉(zhuǎn)速環(huán)。圖3.1中給出了轉(zhuǎn)速環(huán)的實際參數(shù)，其中，該圖中有電動機的電勢內(nèi)反饋，為了討論系統(tǒng)的動態(tài)擾動性能，和電流環(huán)一樣，也設置了兩個擾動作用點。1表示的是階躍給定信號，2和3分

8、別是兩個典型擾動信號作用點的位置。擾動信號2指待諸如電動機里的各種參數(shù)變化引起的擾動；擾動信號3指待諸如電網(wǎng)電壓的波動變化引起的擾動以及晶閘管整流與移相觸發(fā)裝置參數(shù)變化所引起的擾動等。它的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1轉(zhuǎn)速環(huán)Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖一、轉(zhuǎn)速環(huán)的轉(zhuǎn)速輸出特性的分析G1=tf(l,0.0051);g1=tf(2.07922.596,0.0920);g2=tf(l,0.0051);G2=g1*g2;g3二tf(0.0050.24,0.0210);g4=tf(60,0.00171);g5=tf(0.19,0.0211);G3=g3*g4*g5;g6=tf(0.5747,0.005

9、1);G4二feedback(G3,g6);g7二tf(5.26,0.160);g8=tf(0.0211,0.19);G5二feedback(g7,g8);g9=7.58;G6=G2*G4*G5*g9;g10=tf(0.00333,0.0051);G7=feedback(G6,g10);G=G1*G7;step(G)加pn-d$O3L52OO2O5OO50O圖3.2轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應Simulink曲線通過編程運行出的轉(zhuǎn)速圖如上圖，由圖3.2可以看到曲線單調(diào)上升，完全無超調(diào)，并且在3s內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)。我們設計時要求超調(diào)小于10%。這與設計要求吻合。二、轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能的分析在分析了電流環(huán)的抗擾性能后，

10、再來分析一下轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能。一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。按照圖3.1分別在擾動信號作用點2和3加階躍擾動信號后進行仿真，它們的階躍響應曲線如圖3.3a）和圖3.3b）所示。a）轉(zhuǎn)速環(huán)抗負載擾動b）轉(zhuǎn)速環(huán)抗電網(wǎng)電壓擾動圖3.3轉(zhuǎn)速環(huán)階躍信號擾動響應曲線由圖3.3a）階躍擾動響應性能指標有：最大動態(tài)降落：ACmax79；最大動態(tài)降落時間：tp同理由圖3.3b）也可得到階躍擾動響應性能指標有：最大動態(tài)降落：max24；最大動態(tài)降落時間：tp二.49S由上面的仿真圖可以看出它的抗擾性能有如下幾點：1

11、）由于負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。負載擾動可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的大幅度突變也有良好的抗擾能力。3）從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在0.3s內(nèi)即可達到穩(wěn)定，可見它的響應速度也是非?？斓?，同樣，這也是我們設計此系統(tǒng)的原因之一。三、起動過程電動機的轉(zhuǎn)速輸出仿真分析圖3.4是模擬電動機的起動過程轉(zhuǎn)速的仿真曲線。在圖中我們可以看到，電動機起動時轉(zhuǎn)速逐漸增加，經(jīng)過一段時間轉(zhuǎn)速基本達到穩(wěn)定。由此可見，它與我們前面所敘述的起動過程的轉(zhuǎn)速波形基本上是一致的，仿真結(jié)果與理論分析較為吻合。2LILILI18001600140012001i：ii：ii：i80060040020000.511.522.53圖3.4電動機在階躍給定信號下轉(zhuǎn)速輸出Simulink曲線4仿真結(jié)果分析及總結(jié)計算機仿真的曲線圖與理論計算存在差距，這是因為在完成設計的過程中，為了得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的模型圖，對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設計用了一些近似的等效環(huán)節(jié)；再就是在仿真中，調(diào)試的不夠準確，如果再做近一步的調(diào)試，效果會更好一些。通過此次用計算機軟件MATLAB對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行仿真研究，我對MATLAB有了進一步的了解和認識