MATLAB雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與仿真

1、廈門大學(xué)電氣工程實(shí)踐報(bào)告實(shí)習(xí)項(xiàng)目: 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 系 別： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 00000 姓 名： 柯 登 指導(dǎo)老師： 日 期： 2015年5月 摘 要本文以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，采用工程設(shè)計(jì)方法對(duì)最常用的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用 MATLAB/Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。首先對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器都采用了PID控制器，并分別對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析。其次，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器起主要作用，所以對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊控制，并設(shè)計(jì)了模糊控制器，對(duì)雙閉環(huán)直

2、流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并與常規(guī)PID控制進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果表明，模糊控制有良好的動(dòng)態(tài)特性，很強(qiáng)的抗干擾能力。 關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；雙閉環(huán)調(diào)速；電流環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)目 錄第1章 緒 論31.1 課題研究背景31.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究概況31.3 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義4第2章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理4第3章 工程設(shè)計(jì)方法53.1 解析問題53.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)63.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)6第4章 仿真實(shí)驗(yàn)7第5章 仿真結(jié)果分析8第6章 總 結(jié)10參 考 文 獻(xiàn)11第1章 緒 論 1.1 課題研究背景 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)。就目前而言，

3、直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、性能相對(duì)穩(wěn)定的常規(guī)PID控制技術(shù)，在實(shí)際的拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于電機(jī)本身及拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)并不像模型那樣保持不變，而是在某些具體場(chǎng)合會(huì)隨工況發(fā)生改變；與此同時(shí)，電機(jī)作為被控對(duì)象是非線性的，很多拖動(dòng)負(fù)載含有間隙或彈性等非線性的因素。因此被控制對(duì)象的參數(shù)發(fā)生改變或非線性特性，使得線性的常參數(shù)的PID控制器往往顧此失彼，不能使得系統(tǒng)在各種工況下都保持與設(shè)計(jì)時(shí)一致的性能指標(biāo)，常常使控制系統(tǒng)的魯棒性較差，尤其對(duì)模型參數(shù)

4、變化范圍大且具的非線性環(huán)節(jié)較強(qiáng)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器就很難滿足精度高、響應(yīng)快的控制指標(biāo)，往往不能有效克服模型參數(shù)變化范圍大及非線性因素的影響。 模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的很多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它不依賴于被控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，而是將專家的經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)轉(zhuǎn)化為語言控制規(guī)則，用這些控制規(guī)則去控制被控系統(tǒng)，能克服各種非線性因素的影響，對(duì)被控制對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)這種參數(shù)可能發(fā)生較大變化的被控對(duì)象，采用模糊控制具有重大的研究意義。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究概況 隨著各種處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)外對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷的進(jìn)步

5、和完善，80年代該方面的研究達(dá)到最盛的時(shí)期。大型的直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般均采用晶閘管觸發(fā)脈沖，研究人員對(duì)控制算法作了大量的研究：提出模糊PID算法、自適應(yīng)PID算法、內(nèi)模控制的算法和I-P控制器取代PI調(diào)節(jié)器的算法等。目前，國(guó)外一些電氣公司，如瑞典的ABB，德國(guó)的西門子、AEG，日本的三菱、東芝，美國(guó)的GE、西屋等，均已開發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速裝置，有較成熟的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。 從20世紀(jì)60年代初隨著我國(guó)第一只硅晶閘管試制成功以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。目前，我國(guó)主要采用綜合性最優(yōu)控制、補(bǔ)償PID控制、PID算法優(yōu)化等方法研究數(shù)字直流調(diào)速系

6、統(tǒng)。伴隨各式新型控制器件的迅速發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)正向大功率發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)控制單元小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、積木式組合化。對(duì)某些中小功率裝置，正在做到使電動(dòng)機(jī)和控制設(shè)備組合一體化。特別是近年來，全數(shù)字化直流調(diào)速裝置在國(guó)外各廠家竟相推出，使得直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐方面都邁上了一個(gè)新臺(tái)階。1.3 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。此系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 通過對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)

7、速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對(duì)該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場(chǎng)合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。第2章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是最典型的調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖 1 所示。雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由 2 個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給

8、定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加，從而使電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流下降，電動(dòng)機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩減小而減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達(dá)到限幅值時(shí)，電流環(huán)即以最大電流限制dmI 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的加速，使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速制動(dòng)。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)。ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測(cè)速發(fā)電機(jī)；TA電流互感器；GT觸發(fā)裝置； 、 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓； 、電流給定電壓和電流反饋電

9、壓；圖 1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖第3章 工程設(shè)計(jì)方法依據(jù)工程設(shè)計(jì)方法，首先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，滿足穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)保證系統(tǒng)穩(wěn)定，接下來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。以某雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例，采用三相橋式整流電路，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，已知參數(shù)為功率P e=1.1kw ，額定電流Ie =6.7A，磁極對(duì)數(shù) P=1， =1500 r / min，勵(lì)磁電壓220V，電樞繞組電阻Ra=2.34 ，主電路電阻 R=7， Lm=246.25 mH（電樞、平波電感和變壓器電感之和），Ks =58.4 ，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm =116.2 ms，濾波時(shí)間常數(shù) Ton=Toi=0.00235s，過載倍數(shù) =

10、 1.5，電流給定最大值U*in = 10V，速度給定最大值U*n = 10V。3.1 解析問題（1）（2）電流反饋系數(shù)（3）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（4）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts三相橋式電路的平均失控時(shí)間選用Ts =0.0017s3.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)（1）傳遞函數(shù)處理忽略反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)作用，而將電動(dòng)勢(shì)反饋斷開，為電樞電路電磁時(shí)間常數(shù)最后都比 小得多，所以課當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，等效成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)（2）電流調(diào)節(jié)器 ACR 結(jié)構(gòu)選擇按典型 I 系統(tǒng)來設(shè)計(jì)為了抵消控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)的極點(diǎn) （3）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇，電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)按，取 所以得所以3.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì) （1）控制對(duì)象傳遞函數(shù)處理 在設(shè)

11、計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)，已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)可以看做是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為而電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)KixTi=0.5所以這樣（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)按型系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。利用 PI 調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速環(huán)增益為（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇去h=5,調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速環(huán)ASR的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：所以轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器第4章 仿真實(shí)驗(yàn) 電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)都采用 PI 調(diào)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)的 MATLAB 仿真框圖如圖2所示：圖 2 系統(tǒng)的 MATLAB 仿真框圖第5章 仿真結(jié)果分析（1）改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)改積分時(shí)間常數(shù) 0.05

12、3S 為 0.253S，負(fù)載電流為 100A，電機(jī)轉(zhuǎn)速波形為：圖 3 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（4）改電流環(huán)參數(shù)改電流環(huán)積分時(shí)間常數(shù) 0.205S 為 0.105S 后，電機(jī)轉(zhuǎn)速波形為：圖 4 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形通過不同給定負(fù)載下的仿真波形，可以直觀地看到按理論方法設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的各個(gè)階段。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性已十分接近理想特性，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于啟動(dòng)特性來說，已達(dá)到預(yù)期目的。但對(duì)于系統(tǒng)性能指標(biāo)來說，啟動(dòng)過程中電流的超調(diào)量達(dá)到近 25%，顯然這一指標(biāo)與理論最佳設(shè)計(jì)尚有一定的差距。系統(tǒng)還未調(diào)整到最佳狀態(tài)，又將 ASR 與 ACR 的參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整，可使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)一步改善。在仿真過程中，必須經(jīng)過大量

13、的實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù)，才能得出超調(diào)量較低、穩(wěn)定性能較好的系統(tǒng)。第6章 總 結(jié)通過這次設(shè)計(jì)，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時(shí)，進(jìn)一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊(yùn)涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來的發(fā)展動(dòng)態(tài)；第二，了解了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計(jì)算；第四，運(yùn)用MATLAB仿真系統(tǒng)對(duì)所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行的仿真，與此同時(shí)，進(jìn)一步熟悉了MATLAB的相關(guān)功能，掌握了其使用方法。 本課程設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了自動(dòng)控制原理、

14、電力電子技術(shù)、電力拖動(dòng)與控制技術(shù)等的知識(shí)，為了更好的完成設(shè)計(jì)，我又重新復(fù)習(xí)了一遍原來所學(xué)的知識(shí)，加深了對(duì)知識(shí)的理解，提高了對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，同時(shí)使我認(rèn)識(shí)到了各個(gè)課程之間是緊密聯(lián)系的。 總之，在設(shè)計(jì)過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識(shí)，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺，同時(shí)感謝在設(shè)計(jì)中提供幫助的老師和同學(xué)們參 考 文 獻(xiàn)1 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB 仿真M北京：中國(guó)電力出版社，20052 王兆安，黃俊電力電子技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20083 陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20064 王鑫，張麗玲轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)J科技信息，20105 李傳琦.電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20066 呂慶敏.電力電子技術(shù)J.西安：電力電子技術(shù)期刊社,20117 高昕,洪蓮.諧波濾波電抗器在生產(chǎn)中應(yīng)用J.淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),20018 劉述喜,王明渝.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置改造及應(yīng)用J.電工技術(shù)雜志,2004電氣工程實(shí)踐成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表課程名稱電氣工程實(shí)踐題目名稱雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)