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(dòng)化0812摘要：本文采用MATLAB軟件中的Simulink控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用Simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真，同時(shí)查看仿真波形,以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行，有助于對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究。關(guān)鍵詞：閉環(huán)控制電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)MATLAB仿真0引言在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中許多機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)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(dòng)態(tài)性能。在咼性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)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(yīng)用最廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。MATLAB仿真對(duì)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(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有三種：一、直接在MATLAB編寫程序，編譯運(yùn)行得到仿真結(jié)果。這種方法對(duì)編程技能要求較高，往往比較復(fù)雜容易出錯(cuò)。二、面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用PowerSystem工具箱進(jìn)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(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。這種方法簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)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(lán)線為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，綠線為電機(jī)電流曲線。加電流啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(dòng)信號(hào)2指待諸如電動(dòng)機(jī)里的各種參數(shù)變化引起的擾動(dòng)，即負(fù)載擾動(dòng)；擾動(dòng)信號(hào)3指待諸如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)變化引起的擾動(dòng)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(dòng)等。圖中未考

4、慮反電動(dòng)勢(shì)的作用，因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)信號(hào)不在環(huán)內(nèi)。另外，圖中在電流調(diào)節(jié)器輸出端已設(shè)置了限幅裝置。分別對(duì)1編程，對(duì)2、3進(jìn)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(yīng)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(shí)間tp二.393s,非常短，電流立即下降至恒定并在0.07s內(nèi)響應(yīng)即結(jié)束，這樣的階躍響應(yīng)是很理想的。這正好驗(yàn)證了按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)其超調(diào)量會(huì)很小的事實(shí)。我們知道超調(diào)量可以反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對(duì)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(shí)間是0.0183s,上升時(shí)間是用來(lái)反映動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性的，同樣，電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是比較快的。可見，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(fù)載擾動(dòng)b）電流環(huán)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)圖2.3電流環(huán)單位階躍信號(hào)擾動(dòng)響應(yīng)曲線圖2.3a為電流環(huán)在擾動(dòng)作用點(diǎn)2施加單位階躍信號(hào)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線，可知其性能指標(biāo):最大

6、動(dòng)態(tài)降落：ACmax=0.072最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間:t=0.012sp同理，圖2.3b為電流環(huán)在擾動(dòng)作用點(diǎn)3施加單位階躍信號(hào)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線，由圖可知其性能指標(biāo):最大動(dòng)態(tài)降落：ACmax=4最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間:t=0.019sp對(duì)大多數(shù)機(jī)器設(shè)備，控制系統(tǒng)的抗擾性能指標(biāo)是至關(guān)重要的，它比系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)更為人們所關(guān)注。對(duì)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(diǎn)：1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)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(duì)負(fù)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(dāng)擾動(dòng)作用發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)在0.1s內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，可見

7、它的響應(yīng)速度是非?？斓模@也是我們?cè)O(shè)計(jì)此系統(tǒng)的原因之一。三起動(dòng)過程電動(dòng)機(jī)的電流輸出仿真分析下面是模擬電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流維持在最大值，經(jīng)過一段時(shí)間電流下降至負(fù)載電流。由此可見，它與我們前面所敘述的起動(dòng)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(dòng)機(jī)在階躍給定信號(hào)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(shí)際參數(shù)，其中，該圖中有電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)內(nèi)反饋，為了討論系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)性能，和電流環(huán)一樣，也設(shè)置了兩個(gè)擾動(dòng)作用點(diǎn)。1表示的是階躍給定信號(hào)，2和3分

8、別是兩個(gè)典型擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)的位置。擾動(dòng)信號(hào)2指待諸如電動(dòng)機(jī)里的各種參數(shù)變化引起的擾動(dòng)；擾動(dòng)信號(hào)3指待諸如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)變化引起的擾動(dòng)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(dòng)等。它的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1轉(zhuǎn)速環(huán)Simulink動(dòng)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(yīng)Simulink曲線通過編程運(yùn)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(wú)超調(diào)，并且在3s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)要求超調(diào)小于10%。這與設(shè)計(jì)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(lái)分析一下轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能。一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。按照?qǐng)D3.1分別在擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)2和3加階躍擾動(dòng)信號(hào)后進(jìn)行仿真，它們的階躍響應(yīng)曲線如圖3.3a）和圖3.3b）所示。a）轉(zhuǎn)速環(huán)抗負(fù)載擾動(dòng)b）轉(zhuǎn)速環(huán)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)圖3.3轉(zhuǎn)速環(huán)階躍信號(hào)擾動(dòng)響應(yīng)曲線由圖3.3a）階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)有：最大動(dòng)態(tài)降落：ACmax79；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：tp同理由圖3.3b）也可得到階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)有：最大動(dòng)態(tài)降落：max24；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)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(diǎn)：1

11、）由于負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。負(fù)載擾動(dòng)可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時(shí)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(duì)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(dāng)擾動(dòng)作用發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)在0.3s內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，可見它的響應(yīng)速度也是非?？斓模瑯?，這也是我們?cè)O(shè)計(jì)此系統(tǒng)的原因之一。三、起動(dòng)過程電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出仿真分析圖3.4是模擬電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速的仿真曲線。在圖中我們可以看到，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速逐漸增加，經(jīng)過一段時(shí)間轉(zhuǎn)速基本達(dá)到穩(wěn)定。由此可見，它與我們前面所敘述的起動(dòng)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(dòng)機(jī)在階躍給定信號(hào)下轉(zhuǎn)速輸出Simulink曲線4仿真結(jié)果分析及總結(jié)計(jì)算機(jī)仿真的曲線圖與理論計(jì)算存在差距，這是因?yàn)樵谕瓿稍O(shè)計(jì)的過程中，為了得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的模型圖，對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)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(zhǔn)確，如果再做近一步的調(diào)試，效果會(huì)更好一些。通過此次用計(jì)算機(jī)軟件MATLAB對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，我對(duì)MATLAB有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)