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

1、XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY電控學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)院（系）:電氣與控制工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：姓 名： 學(xué) 號(hào):開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模與仿真摘要:MATLAB仿真在科學(xué)研究中的地位越來(lái)越高，如何利用MATLAB仿真出理 想的結(jié)果，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確的選擇MATLAB的仿真。本文就簡(jiǎn)單的開環(huán)直流 調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真這個(gè)例子，通過(guò)對(duì)MATLAB的仿真，得到不同的仿真 結(jié)果。通過(guò)仿真結(jié)果的對(duì)比，對(duì)MATLAB的仿真進(jìn)行研究。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。詳細(xì)介紹了用MATLAB語(yǔ)言對(duì)電機(jī)與拖動(dòng)中直流電

2、動(dòng)機(jī)調(diào)速仿真實(shí)驗(yàn) 的仿真方法和模型建立。其仿真結(jié)果與理論分析一致，表明仿真是可信的，可以 替代部分實(shí)物實(shí)驗(yàn)。首先在分析直流調(diào)速系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上介紹了基于數(shù)學(xué)模 型的仿真，在仿真中可靈活調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)方法對(duì)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算和校驗(yàn)；給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立起 動(dòng)、抗負(fù)載擾動(dòng)的MATLAB仿真模型。分析系統(tǒng)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形, 并進(jìn)行調(diào)試，使開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理與完善。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

3、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)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)。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(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

4、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。Simuli

5、nk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、

6、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。1.2直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(guò)改變 觸發(fā)器移相控

7、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。任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。例 如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) 允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí) 允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn) 速控制的要求有以下三個(gè)方面：調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地(有級(jí))或平滑地 (無(wú)級(jí))調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò) 大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加

8、、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(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速 范圍”和“靜差率”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比 叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即D maxnmin其中，nmax和nmin一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù) 負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。(2)靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí) 與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即S _以 n 0所對(duì)應(yīng)的

9、轉(zhuǎn)速降落An、或用百分?jǐn)?shù)表示S =AnN X 100%n0顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機(jī)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(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。由此可見(jiàn)，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過(guò)程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)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(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值

10、為準(zhǔn)。(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(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nn作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為An ，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低N速時(shí)的靜差率，即S _ An n _ An. n0 +An N于是，最低轉(zhuǎn)速為nminAn人 (1 - S )Ann -AnS 而調(diào)速范圍為將上面的nmin式代入D _ max _ Nminmin得D _ 叩 An (1 - s)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(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì) 于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，An值一定，由此可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能

11、夠允許的調(diào)速范圍也越小。2設(shè)計(jì)參數(shù)：2.1控制對(duì)象電機(jī)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(dòng)機(jī):220V,136A,1460r/min，電樞電阻Ra=0.2Q,允許過(guò)載倍 數(shù)入二1.5 ;電樞回路總電阻:R=0.5Q,電樞回路總電感:L=15mH,電動(dòng)機(jī)軸上的總飛 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(zhuǎn)速反饋系數(shù):a=0.007Vmin/r,濾波時(shí)間常數(shù):Toi=0.002s ,Ton=0.01s 2.2相關(guān)參數(shù)的計(jì)算：查表可得三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.00

12、167sC= 220-136 X .2 = 0.1321460e n N c = n0 c電磁時(shí)間常數(shù):T = L =冬=0.03i R 0.5GD 2 R22.5 x 0.5機(jī)電時(shí)間常數(shù)：廠點(diǎn) = 375x0；2xx0.132 =。此 n3.設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行仿真2 :用power system的相關(guān)模塊仿真本次設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單所以采用方法一仿真模型與結(jié)果3.2仿真模型:ii raided回丹 Edir-cTiM laati. Ue-Q ar Od3xp13.3無(wú)干擾時(shí)電流和轉(zhuǎn)速波形：3.4加入擾動(dòng)后電流和轉(zhuǎn)速的波形:4.實(shí)驗(yàn)心得:本次控制

13、系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)中，我學(xué)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(xué)軟件。通過(guò)它使我對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)有了很大的幫助。MATLAB是一個(gè)基于矩陣運(yùn)算的軟件，它的運(yùn)算功能非 常強(qiáng)大，編程效率高，強(qiáng)大而智能化的作業(yè)圖功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)，MATLAB動(dòng)態(tài) 仿真功能，主要用于仿真、驗(yàn)證、算法思想是正確。利用MATLAB，可以使原本 復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程大大簡(jiǎn)化，在處理矩陣、復(fù)數(shù)運(yùn)算的過(guò)程中尤其明顯。本次設(shè)計(jì)是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課的一次課程 設(shè)計(jì)，主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動(dòng)自動(dòng) 控制系統(tǒng)一一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課是我們自動(dòng)化專業(yè)的一門綜合性非常強(qiáng)的課 程，它綜合了之前學(xué)習(xí)過(guò)的模擬電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)及電機(jī) 拖動(dòng)技術(shù)等課