基于Matlab雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真-陳中

基于Matlab雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真摘要:根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理,采用工程設(shè)計方法系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù),并運用Matlab的Simulink和PowerSystem工具箱、系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。本文突出介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和調(diào)節(jié)器、直流電機模塊互感等參數(shù)的設(shè)置,給出了直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結(jié)果,根據(jù)仿真結(jié)果驗證仿真模型以及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置是否正確。關(guān)鍵詞:雙閉環(huán);參數(shù)設(shè)置;互感;仿真在雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置根據(jù)工程設(shè)計方法可以實現(xiàn)。在實際仿真中，由于直流電機有很多類型,采用Matlab中直流電機通用模塊并設(shè)置互感參數(shù)來代替各種類型的直流電機,并驗證系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的正確性。本文通過Matlab的工具箱中PI調(diào)節(jié)器和直流電機模塊，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型建立以及設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的基礎(chǔ)上,,對此系統(tǒng)進行仿真,根據(jù)仿真的結(jié)果可以驗證模型及參數(shù)設(shè)置是否正確。1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,該系統(tǒng)主電路采用三相橋式晶閘管裝置電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)置輸出限幅,以限制最大起動電流，控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)運行的需要,當給定電壓后,ASR輸出飽和,電機以最大的允許電流起動,使得電機轉(zhuǎn)速很快上升,達到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào),ASR退飽和,電機電樞電流下降,經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用,使系統(tǒng)很快得到穩(wěn)態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電機的數(shù)學模型外,還包括濾波環(huán)節(jié),包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié),其目的是經(jīng)過給定信號和反饋信號相同的延時,使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?從而使設(shè)計更加方便。當按工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器時,應(yīng)根據(jù)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的通用原則,首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)組和電樞繞組的繞組數(shù)有關(guān),從Matlab中的直流電動機模塊可以看出其類型為他勵直流電動機,其互感參數(shù)公式為:Laf=30Ce/πIfCe=（UN-INRa）/nNIf=Uf/RfCe為電動機常數(shù),Uf、Rf分別為勵磁電壓和勵磁電阻。UN、Ra、IN、nN、If分別為電動機額定電壓、電樞電阻、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和勵磁電流。在具體仿真時,首先根據(jù)電動機的基本數(shù)據(jù),寫入電動機本體模塊中對應(yīng)參數(shù),至于電動機本體模塊的互感參數(shù),則由電動機常數(shù)和勵磁電流,改為由公式(2)得到即可。3仿真舉例直流電動機:220V,55A,1000r/min,Ce=0.1925V·min/r,允許過載倍數(shù)λ=1.5;晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=44;電樞回路總電阻R=1.0Ω;時間常數(shù)Tl=0.017s,Tm=0.075s;電流反饋系數(shù)β=0.121V/A(≈10V/1.5IN)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.01Vmin/r(≈10V/nN),Toi=2ms=0.002s。轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。試按工程設(shè)計方法設(shè)計電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,并校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。設(shè)計要求:設(shè)計電流調(diào)節(jié)器,要求電流超調(diào)量σi≤5%。要求轉(zhuǎn)速無靜差,轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤20%。電流調(diào)節(jié)器ACR參數(shù)計算如下:根據(jù)電流超調(diào)量σi≤5%要求電流環(huán)按Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計。三相橋式電路平均失控時間Ts=0.0017s,電流環(huán)小時間常數(shù)為T∑i=Ts+Toi=0.0037s;電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):τi=1/Ki=Tl=0.03s；電流環(huán)開環(huán)增益Kt取KIT∑i=135.1s-1,因此,于是ACR的比例系數(shù):Kp=(KIτiR)/(Ksβ)=1.013轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)計算如下:為了加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計,選中頻段寬度h=5。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T∑n=2T∑i+Ton,則ASR的超前時間常數(shù)為τn=1/Ki=hT∑n=0.087,轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益KN=(h+1)/(2h2)=396.4s2,于是可得ASR的比例系數(shù)為Kp=((h+1)βCeTm)/(2hαR)=11.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。ASR、ACR采用PI模塊,其參數(shù)設(shè)置就根據(jù)以上所求得數(shù)值,輸出限幅均為[10,-10]。其它環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置:電源A、B、C設(shè)置峰值電壓為220V,頻率為50Hz,相位分別為0°、240°和120°。整流橋為系統(tǒng)默認值。由于電動機輸出信號是角速度ω,故把其轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速(n=60ω/2π)。電動機參數(shù)如圖6所示。4仿真結(jié)果仿真結(jié)果如圖7所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出,在電機起動過程中,當給定信號為10V時,電流調(diào)節(jié)器作用下電機電樞電流接近最大值,使得電機以最優(yōu)時間準則開始上升,在0.25s左右時轉(zhuǎn)速超調(diào),電流很快下降,在1.6s時達到穩(wěn)態(tài),在穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速為1000r/min,整個變化曲線同實際情況基本吻合。5總結(jié)本文主要工作是搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電機本體模塊等參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出模型以及參數(shù)設(shè)置的正確性。參考文獻:[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)———運動控制系統(tǒng)[M].3版.北京:機械工業(yè)出版社,2003.[2]周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與M