轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文題 目 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真專 業(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 姓 名 0 班 級(jí) 電氣工程與自動(dòng)化二班 學(xué) 號(hào) 201008064105 2013年 5 月10日轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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)單的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(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)

2、與拖動(dòng)中轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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)然后討論了MATLAB在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。首先在分析轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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)。其次完成了基于電氣原理圖仿真, 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)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(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 /SIMULINK 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,使轉(zhuǎn)

3、速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理與完善。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真; 限幅； 調(diào)節(jié)器； MATLAB仿真Abstract:MATLAB simulation is more and more high, in the position in scientific research how to make use of MATLAB simulation of ideal results, the key lies in how to properly select MATLAB simulation. In this paper, the speed of simple curre

4、nt double closed loop dc speed control system of the MATLAB simulation of the example, through the MATLAB simulation, different simulation results are obtained. Through comparing the simulation results of MATLAB simulation are studied. Thus summed up how to do the simulation of MATLAB simulation in

5、the process of the optimal choice.MATLAB language was introduced in detail in the "motor and drag" speed current double closed loop dc speed control system experiment simulation method and model is established in this paper. Its simulation results are consistent with theoretical analysis,

6、it shows that the simulation is reliable, can replace part of the physical experiment. Then discusses the MATLAB in the teaching of speed current double closed loop dc speed control system applications. First of all, based on the analysis of speed current double closed-loop dc speed regulating syste

7、m, on the basis of simulation based on mathematical model is presented in this paper, flexible adjustment related parameters in the simulation, optimization of parameter design. Second completed based on the electrical schematic simulation, and the anti-interference ability of the speed control syst

8、em are analyzed. With engineering design method for speed current double closed loop dc speed control system to carry on the design, select controller structure, parameter calculation and validation; Dynamic structure of system is given, the establishment of starting, resistance to load disturbance

9、of the MATLAB/SIMULINK simulation model. Simulation analysis system of starting speed and current waveform, and debugging, make speed current double closed loop dc speed control system more reasonable and perfectKeywords: Speed current double closed loop dc speed control system simulation; Clipping;

10、 Regulator; The MATLAB simulation:目 錄1課題背景2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理2.1原理2.2各參數(shù)的理論計(jì)算3仿真過(guò)程3.1仿真原理圖3.2 Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線具體步驟3.3所用元器件及其參數(shù)設(shè)置3.4仿真結(jié)果174仿真分析175總結(jié)186參考文獻(xiàn)191課題背景:在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多生產(chǎn)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。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等良好的動(dòng)態(tài)性能，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特

11、殊運(yùn)行要求。在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)基本幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)直流調(diào)速由于自身的缺點(diǎn)幾乎不能滿足生產(chǎn)過(guò)程的要求，在應(yīng)用廣泛的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)得到比較成熟的應(yīng)用，但是受電動(dòng)機(jī)負(fù)載等非線性因素的影響，傳統(tǒng)的控制策略在實(shí)際應(yīng)用中難以保持設(shè)計(jì)是的性能。由于模擬控制技術(shù)的日漸成熟，又由于模糊控制不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)字模型，能夠克服非線性因素的影響，對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性，所以將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合可以起到滿意的控制效果，在此基礎(chǔ)上提出自調(diào)整因子模糊控制器，根據(jù)控制的誤差值，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)規(guī)則來(lái)調(diào)整一些控制參數(shù)值，從而用于高精度直

12、流調(diào)速系統(tǒng)中，具有響應(yīng)快、超速小，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不要電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此需采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理2.1原理為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器

13、分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引進(jìn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，它們的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。2.2各參數(shù)的理論計(jì)算a、電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，傳遞函數(shù)可以寫成：由上式可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和，其

14、中已經(jīng)選定，可根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。在一般情況下，希望電流超調(diào)量，查表知，可選擇，則，再由公式推導(dǎo)得b、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和 tn。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有，因此。至于中頻寬 h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定.無(wú)特殊要求時(shí)，一般可選擇h=5為好。3仿真過(guò)程3.1仿真原理圖3.2 Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線具體步驟根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖，接成入上圖所示的線路圖。a、點(diǎn)擊圖標(biāo)，打開(kāi)Matlab軟件，在工具欄里根據(jù)提示點(diǎn)擊，再點(diǎn)擊matlab help，打開(kāi)一個(gè)對(duì)話框，點(diǎn)擊里的newmodel，創(chuàng)建一個(gè)新文件。b、點(diǎn)擊工具欄的，打開(kāi)元器件庫(kù)查找新的元器件

15、。c、原件庫(kù)如下圖所示第VIII頁(yè)如果不知在哪里找到元器件，可以在里輸入元器件的名稱，鍵入ENTER即可查找。3.3 所用元器件及其參數(shù)設(shè)置a、三相交流電源V1、V2、V3設(shè)置三相電壓都為220V，兩兩之間相位差為120，分別為0、-120、-240。b、 Voltage Measurement（電壓測(cè)量表）c、 Constent（信號(hào)發(fā)生器）輸入一個(gè)信號(hào)，參數(shù)值各不一樣，如下以一種情況為例。d、Synchronized 6-pulse generator同步6脈沖觸發(fā)器，由Fcn將ACR輸出轉(zhuǎn)換成脈沖控制角。而輸入端Block 用于控制觸發(fā)脈沖的輸出，在該端置“0”，則有脈沖輸出；如果設(shè)置為

16、“1”，則沒(méi)有脈沖輸出，整流器也不會(huì)工作。e、Universal Bridge普通的橋電路起著過(guò)載保護(hù)作用，防止電流過(guò)大燒壞電機(jī)。f、DC Machine（直流電動(dòng)機(jī)）F+和F-是直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的連接端，A+和A-是電機(jī)電樞繞組的聯(lián)結(jié)端，TL是電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸入端。m端用于輸出電機(jī)的內(nèi)部變量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩四項(xiàng)參數(shù)。修改參數(shù)電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為0.210.0021，勵(lì)磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為146.70，勵(lì)磁和電樞互感（Fie

17、ld-armature mutual inductance）為0.84，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數(shù)（Viscous friction coefficient）為0.01，庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。g、直流電源修改Amplitude即改變了電壓源的幅值。這里此模塊用作直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電源，幅值為220V。h、PI調(diào)節(jié)器分別作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PID Controller和電流調(diào)節(jié)器PID Controller1，PID Controller的輸出作為PID Contro

18、ller1的輸入，起到限幅的作用。i、Gain（雙擊Gain可修改增益）j、Saturation（反饋深度）k、Sum（加法器）在List of Signs欄目描述加法器三路輸入的符號(hào)，其中|表示該路沒(méi)有信號(hào)，所以用|+-取代原來(lái)的符號(hào)，得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中所需的減法器模塊了。l、Demux（分接器）m、scope（示波器）n、仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊選中第三個(gè)，設(shè)置環(huán)境參數(shù)。3.4仿真結(jié)果根據(jù)上面的步驟查找器件，連線，即可畫(huà)出原理圖，運(yùn)行之后，得到如下波形。以下波形分別為轉(zhuǎn)速n，電樞電流Ia，勵(lì)磁電流If，轉(zhuǎn)矩T4仿真分析從上圖仿真的波形可以看出，它非常接近于理論分析的波形。從波形中也可以看出，在

19、啟動(dòng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和，飽和，退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程分為三個(gè)階段：電流上升階段、恒流升速階段、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。第一階段突加電壓，電樞電流迅速上升，速度調(diào)節(jié)器的輸入很快達(dá)到限幅值。第二階段，ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，保持電流恒定，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增加。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的給定電壓與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線形調(diào)節(jié)階段，使速度恒定不變，實(shí)際仿真結(jié)果基本上符合理論分析。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差；它對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；其