雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn)

1、合系完成時(shí)間:2012-10-14Hefei Un iversity題 目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真實(shí)驗(yàn)研究姓名:吳紅(0905075014)李秀娟指導(dǎo)老師:班級(jí):09 自動(dòng)化（1）班雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真實(shí)驗(yàn)研究吳紅 090507501409 自動(dòng)化( 1)班摘 要 ：利用 MATLAB 下的 SIMULINK 軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(kù) (SimPowerSystems)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型， 并通過 SIMULINK 環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來。 掌握了強(qiáng)大的 SIMULINK 工具后

2、， 會(huì)大大增強(qiáng)用戶系統(tǒng)仿真的能力。關(guān)鍵詞 ： matlab ；simulink ；雙閉環(huán)；電機(jī)；調(diào)速ABSTRUCT ： Using simlink software of MATLABand SimPowerSystems ,it is simpleand manifest to simulate the system.Users can build up system model by graph,andrun simulative program by pressing the menu of Simulink environment,whose resultwill display o

3、n the monitor.User 's capability of simulation will be fortified muchwith the learning of powerful SIMULINK tools.KEY WORD:matlab;simulink;Double closed loop;electric motor;speed regulation引言雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)， 在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)， 在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。 由于直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

4、的基礎(chǔ)，直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一般包括兩個(gè)方面:第一選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)以確保系統(tǒng)穩(wěn)定 ,同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度 . 第二選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) ,以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。本文就直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究， 從直流電機(jī)的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，然后進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)設(shè)計(jì)方法研究， 最后用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)， 并采用Matlab/Sim-ulink進(jìn)行仿真。1.基本原理和系統(tǒng)建模為了實(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)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流 ,二者之間實(shí)行串聯(lián)連接 . 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器ACR 的輸入 ,再用電流

5、調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置GT ,TA 為電流傳感器,TG 為測(cè)速發(fā)理?xiàng)l件，設(shè)計(jì)后電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)d i = 4. 3 % w 5 %滿足設(shè)計(jì)要求。，這樣就形電機(jī).從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊叫做外環(huán) 了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖所示:IdLUnUi ),1)lTois-HsTons 4ZHWASR(*QWacr(S)崔KsTsS+1轉(zhuǎn)速環(huán)2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)Ud01RTs+1弋R 1Tms CeToiS+1gTo"圖1直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖調(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)系統(tǒng)參數(shù)

6、：直流電動(dòng)機(jī):220V,13.6A,148Or / min,Ce =0.1317/(r/min)，允許過載倍數(shù)A =1.5 ；晶閘管裝置:Ks =76 ；電樞回路總電阻：R =6.580 ；時(shí)間常數(shù)：T 0.018s ,Tm = 0.25s ；反饋系數(shù):a = 0.00337V /(r /min) , P = 0.4V / A ;反饋濾波時(shí)間常數(shù):Toi = 0.005s， Ton = 0.005s。2. 1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2. 1. 1計(jì)算時(shí)間常數(shù)經(jīng)查表，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts =0. 0017s，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)T 2 i = Ts + Toi =0. 0067s，電樞回路的電磁時(shí)

7、間常數(shù) Tl = 0.018s。2. 1.2確定電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)根據(jù)性能指標(biāo)要求 di W5%，保證穩(wěn)態(tài)無誤差。把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：WACR ( s) =Ki ( T is + 1)/ t is式中Ki，T i分別為電流調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時(shí)間常數(shù).其中T i = T1 = 0.018s，為滿足的要求，應(yīng)取K1T 2 i = 0. 5因此：K1 =0.5/ T 2 i= 74.63s- 1 ,于是可以求得 ACR的比例放大系數(shù) Ki =K1 T i R/ 3 Ks=0.29故電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) WACR (s) =0.29(0.018 s +1)/0.018s

8、經(jīng)過校驗(yàn)，滿足晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件，也滿足電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處2. 2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2 .2. 1 計(jì)算時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):2 T 2 i = 0. 0134s,轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：T 2 n = 2 T 2 i + Ton = 0.0318s2. 2. 2 確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí) ，可以把已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象. 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差 ，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能 ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，又考慮到動(dòng)態(tài)要求 ，因此把轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為:WASR ( s) = Kn( t ns + 1)/ t ns式中Kn , t n

9、分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時(shí)間常數(shù).取中頻寬h = 5 ,則ASR的領(lǐng)先時(shí)間常數(shù)：T n22=hT 2 n = 0. 159s，按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大系數(shù)：KN =(h + 1)/2 h 2 T2 2 n= 118.67s- 1 則 ASR 的比例放大系數(shù)為：Kn =KN t n B Ce Tm a R=( h + 1) 3 Ce Tm/2 h a RT 工 n 側(cè) Kn =11.15經(jīng)過校驗(yàn) ，滿足電流環(huán)傳遞函數(shù)等效條件 ，也能滿足轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，轉(zhuǎn)，在電流調(diào)節(jié)器Simulink速超調(diào)量(T n = 8. 3 % < 10 %滿足設(shè)計(jì)要求.

10、為保證電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中的運(yùn)算放大器工作在線性特性段以及保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)元件、部件與裝置不致?lián)p壞與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出端設(shè)置了限幅裝置，幅值限制為-6+ 6。3. Simulink 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析3. 1 系統(tǒng)起動(dòng)過程的仿真3. 1. 1 構(gòu)建仿真模型Simulink 是 MAT LAB 的一個(gè)用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包， 為用戶提供了使用系統(tǒng)模型框圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺(tái)。只需根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型從Simulink 模塊庫(kù)中選取合適的模塊組合在一起 ，并根據(jù)一些具體要求設(shè)置好各模塊參數(shù)即可進(jìn)行仿真 .根據(jù)圖 1和上面計(jì)算出的相關(guān)參數(shù)，建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab/S

11、imulink動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖 2所示。施加階躍信號(hào)，如圖4所示。圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模塊圖3. 1.2仿真3所示。運(yùn)行Simulink仿真模型，輸出示波器，得出轉(zhuǎn)速的仿真曲線，如圖圖3輸出轉(zhuǎn)速n波形圖圖4添加擾動(dòng)后的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模塊圖得雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載特性變化的擾動(dòng)情況下,轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線，如圖5轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)輸出如下所示。所示。圖5擾動(dòng)后的輸出轉(zhuǎn)速n波形圖3.2結(jié)果分析：由上訴波形圖分析可知，仿真后的轉(zhuǎn)速輸出雖然時(shí)間相應(yīng)符合要求但是超調(diào)很大，需要對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)。適當(dāng)減小轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和時(shí)間常數(shù)犧牲調(diào)節(jié)時(shí)圖6校正后的輸出轉(zhuǎn)速n波形圖抗擾性能也比較好，如圖 7所示。圖7校正后的抗擾性能電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)圖8校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)輸出綜上所述，這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)特性好、超調(diào)量、抗擾性好，設(shè)計(jì)比較合理。4.結(jié)論在工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)典型 I型系統(tǒng)或典型n型系統(tǒng)的方法計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，靈活修正調(diào)節(jié)器參數(shù)，直至得到滿意的結(jié)果。本文通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電流調(diào)節(jié)器和