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

1、雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn)魏小景 張曉嬌 劉姣（自動(dòng)化0602班）摘要：采用工程設(shè)計(jì)方法對(duì)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 ,使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理與完善。關(guān)鍵詞:雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng);調(diào)節(jié)器;Matlab Simulink建模仿真1.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

2、電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)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。2.基本原理和系統(tǒng)建模轉(zhuǎn)速環(huán)電流環(huán)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)

3、器ACR 的輸入,再用電流調(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)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),轉(zhuǎn)速環(huán)電流環(huán)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3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)：直流電動(dòng)機(jī)：，允許過(guò)載倍數(shù)；晶閘管裝置：；電樞回路總電阻：；時(shí)間常數(shù)：，；反饋系數(shù)：，；反饋濾波時(shí)間常數(shù)：，。3. 1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3. 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)Ti = Ts + T

4、oi = 0. 0067s ,電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)Tl = 0.018s。3. 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i 5 % , 保證穩(wěn)態(tài)無(wú)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 (is + 1)/is式中Ki ,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i = T1 = 0. 018s ,為滿足的要求,應(yīng)取K1Ti = 0. 5 因此: K1 =0.5/ Ti= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系數(shù)Ki =K1i R/Ks=0.29故電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)WACR (s) =0.29(0.018 s +

5、1)/0.018s經(jīng)過(guò)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)i = 4. 3 % 5 %滿足設(shè)計(jì)要求。3. 2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3 .2. 1 計(jì)算時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):2 Ti = 0. 0134s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù): Tn = 2 Ti + Ton = 0. 0318s3. 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(wú)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:WAS

6、R ( s) = Kn(ns + 1)/ns式中Kn ,n 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):n = hTn = 0. 159s ,按Mrmin 準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系,轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)放大系數(shù):KN =(h + 1)/2 h2 T2n= 118.67s- 1則ASR 的比例放大系數(shù)為:Kn =KNnCe TmR=( h + 1)Ce Tm/2 hRTn,則Kn =11.15經(jīng)過(guò)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)速超調(diào)量n = 8. 3 % 10 % 滿足設(shè)計(jì)要求. 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

7、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,在電流調(diào)節(jié)器與轉(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。4. Simulink 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析4. 1 系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的仿真4. 1. 1 構(gòu)建仿真模型Simulink是 MAT LAB 的一個(gè)用來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包，Simulink 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/Simuli

8、nk 動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖2所示。圖2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模塊圖4. 1. 2 仿真運(yùn)行 Simulink 仿真模型，輸出示波器，得出轉(zhuǎn)速的仿真曲線，如圖3所示。圖3 輸出轉(zhuǎn)速n波形圖施加階躍信號(hào)，如圖4所示。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)載特變擾動(dòng)的情況下 ,轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線，如圖5所示。圖5 擾動(dòng)后的輸出轉(zhuǎn)速n波形圖4.2 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)間可以減小超調(diào)，所以取Kn=7, n=6.3s得如下的輸出波形，如圖6.所示。圖6

9、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 校正后的抗擾性能轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)輸出下所示。轉(zhuǎn)速環(huán) 電流環(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。5.結(jié)論本文通過(guò)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)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行的設(shè)計(jì)，選擇了調(diào)節(jié)器的類型，給出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行了仿真和分析。在充分發(fā)揮電機(jī)過(guò)載能力的同時(shí)，可以獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，在實(shí)際工程中有一定的應(yīng)用價(jià)值。造成系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法與仿真實(shí)驗(yàn)之間有差距的原因， 總結(jié)如下幾點(diǎn)：（a） 工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過(guò)程中做了許多近似的處理， 而這些簡(jiǎn)化處理在一定的條

10、件下才能成立。（b） 仿真實(shí)驗(yàn)在建立模型過(guò)程中忽略了許多非線性因素和次要因素。（c）用Matlab/simulink軟件是控制系統(tǒng)的一種功能完善，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制容易，構(gòu)造模型簡(jiǎn)單的強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)仿真工具。該方法經(jīng)濟(jì)又方便，能大大縮短科研開(kāi)發(fā)的速度，提高開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)可以嘗試不同的控制策略，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。附錄資料：不需要的可以自行刪除35t汽車吊上結(jié)構(gòu)樓板計(jì)算書(shū)1、概況圓形采光頂鋼結(jié)構(gòu)為跨度31.6m單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼頂標(biāo)高25.6m，主要由GC-1、GC-2、GC-3、GC-4構(gòu)件組成，其中GC-1、GC-3為主龍骨，其余為連系件（如下圖所示）。圓形采光頂鋼結(jié)構(gòu)平面圖圓形采光頂鋼結(jié)構(gòu)剖面圖2、吊車荷

11、載及尺寸質(zhì)量參數(shù)行駛狀態(tài)自重（總質(zhì)量） kg32300前軸軸荷 kg11150后橋軸荷 kg21150尺寸參數(shù)外形尺寸(長(zhǎng)寬高) mm1261325003280支腿縱向距離 m5.35支腿橫向距離 m6根據(jù)施工方案，35t汽車吊吊裝穹頂鋼結(jié)構(gòu)最不利工況為：吊裝半徑10m，吊重1t，即起重力矩為10tm。3、吊車支腿壓力計(jì)算（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算簡(jiǎn)圖（2）計(jì)算工況工況一、起重臂沿車身方向（=0）工況二、起重臂垂直車身方向（=90）工況三、起重臂沿支腿對(duì)角線方向（=48）（3）支腿荷載計(jì)算公式：N=P/4M（Cos/2a+Sin/2b）式中：P吊車自重及吊重； M起重力矩； 起重臂與車身夾角； a支腿

12、縱向距離； b支腿橫向距離。（4）計(jì)算結(jié)果A、工況一、起重臂沿車身方向（=0）N1=N2=P/4+M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4+10（1/10.7）=9.26tN3=N4=P/4-M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（1/10.7）=7.39tB、工況一、起重臂垂直車身方向（=90）N1=N3=P/4+M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4+10（1/12）=9.16tN2=N4=P/4-M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（1/12）=7.49tC、工況一、起重臂沿支腿對(duì)角線方向（=52）N1=

13、P/4+M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4+10（Cos52/10.7+Sin52/12）=9.57tN4=P/4-M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（Cos52/10.7+Sin52/12）=7.09tN2=P/4-M（Cos/2a-Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（Cos52/10.7-Sin52/12）=8.41ttN3=P/4+M（-Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4+10（-Cos52/10.7+Sin52/12）=8.41t35t汽車吊開(kāi)行于地下室頂板上，每個(gè)支腿下設(shè)置0.2m*0.2m*2m道木三根墊實(shí)，道木擴(kuò)散面積為1.2m2。汽車吊作業(yè)時(shí)要求吊車的四個(gè)支腿不同時(shí)位于一個(gè)樓板板塊內(nèi)，即一個(gè)樓板板塊內(nèi)只有一個(gè)支腿支撐。按支腿位于單個(gè)板塊中間時(shí)為最不利工況計(jì)算，柱網(wǎng)間距為8.4m，樓板跨度按8.4m計(jì)算，則Mmax=1.3*9.57*8.4/4=26.13tm，1.3為活載動(dòng)力系數(shù)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001）中附錄B樓面等效均布活荷載的確定方法，可知樓板上局部荷載（包括集中荷載）的等效均布荷載qe=8Mmax/(bl2)。上式中，l樓板的