MATLAB與交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真30852課件

MATLAB應用技術王忠禮段慧達高玉峰編著

4.MATLAB與交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真1MATLAB基本知識4．1控制系統(tǒng)及控制技術指標與要求4.1.1自動控制和自動控制系統(tǒng)介紹自動控制是指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象，如機器設備、生產(chǎn)過程中的速度、溫度、壓力等物理量自動的按照預定規(guī)律運行或變化的處理過程。并將這種能對被控制對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)。根據(jù)是否把系統(tǒng)輸出信號進行反饋并參與控制而將自動控制系統(tǒng)又分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。2、動態(tài)指標⑴跟隨指標（2）最大超調(diào)量指輸出響應與給定值的最大偏差量Δnmax(t)與給定值nref(t)之比，即（3）調(diào)節(jié)時間ts調(diào)節(jié)時間是指輸出響應曲線與穩(wěn)態(tài)值之差達到允許范圍內(nèi)(一般取穩(wěn)態(tài)值的±2%或±5%)所需要的時間,而且以后不再超出這個范圍。（4）振蕩次數(shù)N3、抗擾動指標（1）動態(tài)速降動態(tài)速降是指擾動引起的最大轉(zhuǎn)速偏差（2）恢復時間指由擾動作用瞬間到輸出量恢復到允許范圍內(nèi)（一般取穩(wěn)態(tài)值的±2%或±5%）所經(jīng)歷的時間。（3）振蕩次數(shù)N振蕩次數(shù)N為在恢復時間內(nèi)被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)，它代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力的強弱。4.2直流電動機模型與MATLAB的實現(xiàn)4.2.1直流電動機介紹直流電動機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。由于其帶有機械換向器，較比交流電動機結構復雜，生產(chǎn)運行成本較高，并有逐步被交流電動機所取締。但是由于直流電動機具有啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢，在軋鋼機、電力機車的等方面有一定的應用。同時由于直流電動機原理簡單，理論基礎厚重，對電機學習者具有很強的吸引力。直流電動機對象引入兩個狀態(tài)變量：，仍然選取輸入量：，輸出量為：

狀態(tài)空間表達式:4.2.3直流電動機模型在MATLAB中的實現(xiàn)直流電動機數(shù)學模型形式主要有三種表現(xiàn)形式，包括動態(tài)微分方程式或者差分方程式、傳遞函數(shù)或者脈沖傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表達式，1、直流電動機參數(shù)計算已知某直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（在本章中簡稱系統(tǒng)I），控制系統(tǒng)主回路與直流電動機的主要參數(shù)如下：電動機：主回路：全控橋式整流負載及電動機轉(zhuǎn)動慣量：

計算得到此直流電動機的相關參數(shù)：電勢常數(shù)：

轉(zhuǎn)矩常數(shù)：電磁時間常數(shù)：機電時間常數(shù)： 3、直流電動機數(shù)學模型的狀態(tài)空間表達式實現(xiàn)輸出方程

直流電動機1的狀態(tài)空間表達式為：

其中，輸入量：，輸出量為：狀態(tài)變量：4、基于電氣原理圖的直流電動機數(shù)學模型實現(xiàn)電動機模型位于SimPowerSystems工具箱下machines庫中的DCmachines和DiscreteDCmachines分別是直流電動機和離散直流電動機模型F＋和F-:此端子為直流電動機勵磁電路控制端子，分別連接勵磁電源的正極與負極；A＋和A-:電動機電樞回路控制端；TL：電動機的負載轉(zhuǎn)矩信號輸入端；m:電動機信號的測試端，包括轉(zhuǎn)速w(rad/s),電樞電流Ia（A），勵磁電流If（A），電磁轉(zhuǎn)矩Te（N.m）。查看此模型方法是通過選擇電機模型，在右鍵彈出式菜單中，點擊Lookundermask，即可實現(xiàn)。4.3直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真實現(xiàn)4.3.1直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速表達式：可以看出，直流電動機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有以下三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速；（2）改變電動機勵磁調(diào)速；（3）改變電樞回路電阻調(diào)速。例：改變電樞回路電阻調(diào)速來說明在MATLAB的實現(xiàn)（3）斷路器（Breaker）斷路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements庫里的Breaker模塊（4）調(diào)速電阻（R）調(diào)速電阻選自SimPowerSystems工具箱中的Elements庫里的seriesRLCbranch模塊，為了說明問題，兩只調(diào)速電阻都選擇20歐姆（5）斷路器控制信號（Step）斷路器通斷控制采用階躍信號與模塊的控制端連接實現(xiàn)，直流電動機的加速點分別設置在5秒和10秒時刻，因此將階躍信號的跳變點時間分別為5秒和10秒。（6）其他模塊其他模塊還包括比例模塊、輸入型接地點、輸出型接地點，兩只T型連接器、信號分離器以及相關的示波器。3、仿真結果電動機的轉(zhuǎn)速波形圖電樞電流波形圖電磁轉(zhuǎn)矩波形圖4.3.2開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)與仿真（一）開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成得到系統(tǒng)1開環(huán)控制的動態(tài)結構圖（2）開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實現(xiàn)2、基于電氣原理圖的系統(tǒng)仿真（1）三相對稱交流電源模型從SimPowerSystems工具箱中ElectricalSources（電源）庫中選擇ACVoltagesource模塊（2）晶閘管整流器模型從SimPowerSystems工具箱中PowerElectronics(電力電子)庫選取UniversalBridge(通用橋)模塊（3）直流電動機模型直流電動機模型選取在先前已經(jīng)介紹過（4）主回路平波電抗器模型從Elements模型庫中，選取SeriesRLCBranch模型（5）同步脈沖觸發(fā)器模型（7）其他模塊構造開環(huán)直流電機控制系統(tǒng)，還需要用的模塊有：Lconnector（L型連接器）；三個Constant（常數(shù)模塊）；以及用來觀測電機變量的四個ToWorkspace（輸出到工作空間模塊），并設置輸出變量名分別為為w、Ia、If、Te，w參數(shù)設置如圖。仿真參數(shù)設置系統(tǒng)仿真結果4.3.3直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真1、閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)介紹2、電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)（二）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設計舉例已知直流調(diào)速系統(tǒng)I，實際生產(chǎn)工藝要求如下：系統(tǒng)無靜差；電流超調(diào)量為在額定負載下，啟動至額定轉(zhuǎn)速的超調(diào)量系統(tǒng)參數(shù)計算固有參數(shù)電勢常數(shù)：

轉(zhuǎn)矩常數(shù)：

電磁時間常數(shù)：

機電時間常數(shù)：。晶閘管整流裝置滯后時間常數(shù)：預置參數(shù)選取轉(zhuǎn)速輸出限幅值：，可以計算得到晶閘管裝置放大系數(shù)：啟動電流：選取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值：，可以得到電流反饋系數(shù)：選取電流反饋濾波時間常數(shù)：選取轉(zhuǎn)速最大給定值：得到轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：取轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：系統(tǒng)I動態(tài)結構圖2系統(tǒng)設計（1）電流調(diào)節(jié)器設計電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器根據(jù)典型I系統(tǒng)設計可以得到（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計轉(zhuǎn)速的超調(diào)與動態(tài)速降均可由抗擾指標衡量，而抗擾指標以典型II系統(tǒng)為佳，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，按典型II系統(tǒng)設計，取h＝5。設，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為：根據(jù)典型II系統(tǒng)設計可以得到（三）雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真1、基于數(shù)學模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真仿真參數(shù)選擇，ode23;仿真時間Starttime設為0，Stoptime設為10，其他設置可以參考開環(huán)系統(tǒng)仿真設置。電樞電流和電機轉(zhuǎn)速輸出曲線2、基于電氣原理圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真主要的仿真參數(shù)設定包括，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)常數(shù)為60，積分系數(shù)11.5;電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)1.24，積分系數(shù)為40。仿真算法選擇ode15s。晶閘管整流器參數(shù)設置基于電氣原理圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結果4.4交流電動機模型與MATLAB實現(xiàn)4.4.1交流電動機與交流調(diào)速系統(tǒng)介紹目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應用方向可分為以下三大類。（1）以節(jié)能為目的的改恒速為可調(diào)速（2）以少維護省力為目的的取代直流調(diào)速系統(tǒng)（3）直流調(diào)速難以實現(xiàn)的領域從多方面來看，交流調(diào)速系統(tǒng)完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，并將為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及節(jié)電節(jié)能等方面帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。4.4.2交流電動機調(diào)速原理從電機學可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：其中，f1為電機的定子供電頻率；np為電機極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。因此實現(xiàn)異步電動機輸出速度的改變，主要通過三類方式來實現(xiàn)，即改變電機的極對數(shù)、變化轉(zhuǎn)差率以及改變供電頻率。目前常見到的具體實現(xiàn)調(diào)速方案有：變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速以及變頻調(diào)速等。4.4.3交流電動機模型在Malab中的實現(xiàn)為了簡化交流電機的建模復雜工作，MATLAB推出的SimPowerSystems工具箱中定制封裝了系列電機模型，當然包括在先前介紹的直流電機模型。SimPowerSystems工具箱中的交流電機模型位于Machines庫中，主要包括AsynchronousMachinepuUnits（標么值單位制的異步電動機）、AsynchronousMachineSIUnits（國際單位制的異步電動機）、PermanentMagnetSynchronousMachine（永磁式同步電動機）、SimplifiedSynchronousMachinepuUnits（標么值單位制的簡化同步機）、SimplifiedSynchronousMachineSIUnits（國際單位制的簡化同步機）等。在本章采用國際單位制的異步電動機－AsynchronousMachineSIUnits。下面以國際單位制的異步電動機為例介紹。異步電動機模型其電氣連接和功能分別為：A，B，C：交流電機的定子電壓輸入端子；Tm：電機負載輸入端子，一般是加到電機軸上的機械負載；a,b,c:繞線式轉(zhuǎn)子輸出電壓端子，一般短接，而在鼠籠式電機為此輸出端子；m:電機信號輸出端子，一般接電機測試信號分配器觀測電機內(nèi)部信號，或引出反饋信號。異步電動機模型參數(shù)設置Rotortype:轉(zhuǎn)子類型列表框，分別可以將電機設置為繞線式（Wound）和鼠籠式（Squirrel－cage）兩種類型；ReferenceFrame：參考坐標列表框，可以選擇轉(zhuǎn)子坐標系（Rotor）、靜止坐標系（Stationary）、同步旋轉(zhuǎn)坐標系（Synchronous）；Nom.power,L-Lvolt,andfred.[Pn(VA),Vn(Vrms),fn(Hz)]:額定功率（VA），線電壓（V），頻率（赫茲）；Stator[Rs(ohm)Lls（H）]：定子電阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）；Rotor[Rr’(ohm)Lls’（H）]：轉(zhuǎn)子電阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）；MutualinductanceLm（H）：互感Lm(H);Intia，frictionfactorandpairsofpoles[J(kg.m^2)]:轉(zhuǎn)動慣量[J(kg.m^2)]，摩擦系數(shù)和極對數(shù);Initialconditions[s()th(deg)isaisbisc(A)]：初始條件包括：初始轉(zhuǎn)差s，點角度phas,phbs,phcs（deg）和定子電流isaisbisc(A)電機測試信號分配器模塊電機測試信號分配器參數(shù)設置ir_abc:轉(zhuǎn)子電流ira,irb,irc;ir_qd:同步d-q坐標下的q軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_d；phir_qd：同步d-q坐標下的q軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_d；vr_qd：同步d-q坐標下的q軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_d；is_abc：定子電流isa,isb,isc;is_qd：同步d-q坐標下的q軸下的定子電流is_q和d軸下的定子電流is_d；phir_qd：同步d-q坐標下的q軸下的定子磁通phis_q和d軸下的定子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐標下的q軸下的定子電壓vs_q和d軸下的定子電壓vs_d；wm：電機的轉(zhuǎn)速wm；Te：電機的機械轉(zhuǎn)矩Te；Thetam：電機轉(zhuǎn)子角位移Thetam。4.5異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB實現(xiàn)4.5.1異步電機調(diào)壓調(diào)速原理根據(jù)異步電動機的機械特性方程：為電機的極對數(shù)

為定子電源頻率；為定子電源相電壓；為折算到定子側的每相轉(zhuǎn)子電阻

為每相定子電阻

為每相定子漏感

為折算到定子側的每相轉(zhuǎn)子漏感

S為轉(zhuǎn)差率4.5.2異步電機調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)4.5.3基于轉(zhuǎn)速負反饋控制異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)主要包括速度閉環(huán)，脈沖觸發(fā)器、三相調(diào)壓器，被控交流異步電動機等組成。三相調(diào)壓器由三對并聯(lián)的晶閘管元件組成，采用相位控制方式，利用三相交流電源自然環(huán)流實現(xiàn)關斷。觸發(fā)脈沖的順序為V1－V2－V3－V4－V5－V6，其中V1－V3－V5之間和V4－V6－V2之間互差120度，V1－V4之間、V3－V6之間、V5－V2之間互差180度。異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型其中主要參數(shù)設置：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器Kp為40，Ki為200；反饋參數(shù)K選擇為：20；限幅器限幅值：[150-30]；.仿真參數(shù)設置：仿真算法選擇為ode23tb，仿真時間0－5秒，其他為默認值。系統(tǒng)的給定和轉(zhuǎn)速輸出曲線4.6異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB實現(xiàn)4.6.1異