直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB的設(shè)計(jì)與仿真

目錄前言 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性 5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析 7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 10雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析 12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 13MATLAB語言及Simulink 14仿真技術(shù)的背景 14Matlab和Simulink簡介 14Matlab建模與仿真 15Simulink仿真工具 15控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程 16Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析 18電流環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真 19電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計(jì)算及仿真 19繪制單位階躍擾動響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo) 20單位沖激信號擾動的響應(yīng)曲線 22電流環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真 22轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真 24轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后給定階躍響應(yīng)的MATLAB計(jì)算及仿真 24繪制單位階躍信號擾動響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo) 26單位沖激信號擾動的響應(yīng)曲線 27轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真 285總結(jié) 30附錄 31參考文獻(xiàn) 36致謝 37前言VCDelphiMATLABSimulinkMatlabSimulink域和頻域分析；對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行跟隨性和抗擾性分析。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)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只

值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很dcr理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a因而加速過程必然拖長。nIdmnIdLnIdmnInIdmnIdLnIdmnIdLI Id dIdcrO(a)

t O t(b)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 理想快速起動過程(a)Currentdeadlinewithasinglenegativefeedbackloop (b)anidealquickstartprocessspeedcontrolsystemstartingprocess圖2-1調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形Fig2-1speedsystemstartofthecurrentprocessandspeedwaveform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

的恒流過程，按照反饋控制dm規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負(fù)反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。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，如圖2-2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。UiU* U* -n ASR i

i內(nèi)環(huán)UctACR

TA+ IdUPE U M-+ - + d-Un n 外環(huán) - nTG圖2-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Fig2-2rotation、currentdoubleclosedloopDCrotationregulationsystemU*、Un

—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓nU*、U—電流給定電壓和電流反饋電壓i iASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 測速發(fā)電TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-3a，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達(dá)到限幅值；不飽和——輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓U

穩(wěn)太時(shí)總是為零。IdU* ASR U*n + i-U -n

U-i ACR

UPEUct d0 UKs

R-IR n-dE 1/Ce圖2-3a雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig2-3a Double-loopspeedcontrolsystemofsteady-statechart—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) —電流反饋系數(shù)—Speedfeedbackcoefficient —Currentfeedbackcoefficient實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（一）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都為零，即U*Un n

n由Un

U n

U*Ui iU*

Idn n n 0從而得到圖2-3b靜特性的n0-A段。由U*Ui

Id

，且ASRUi

U *Iim

I ，說明n0dm0

-A段Id0(理想空載狀態(tài))IdIdmIdm一般都大于額定電流Idnom的。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和此時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)有：I Uim*Id dm從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm

時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差[1]，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)Idm

到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。CABCAB0OI I IdN dm d圖2-3b雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性Fig2-3b Double-loopspeedcontrolsystemofstaticcharacteristics雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)[2]或零極點(diǎn)模型[2]為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-4所示。圖中WASR

(s)和W

s((流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id

顯露出來。UU*U*in+W(s)W (s)K-I -IddLnsU-ASR-UACRUTs+1sUd01/RTlR+Ts1/CmEencti圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Fig2-4doubleclosedloopDCrotationregulationsystemofdynamicstructurediagram雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*由靜止?fàn)顟B(tài)起動時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖i2-5ASR段，整個(gè)動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。（一）I

1）是電流上升階段。突加給定電壓U

*后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，使Un

、U 、I 都上d0 d升，但是在Id

沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL

之前，電動機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)Id

I 后，電dL動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓Unn nn

U 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim*，強(qiáng)迫電樞電流I 迅速上升直到I I **,電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id d dm i im d不再迅速增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。IIIIIIIIIOtIdmt1t2t3t4tn*IdIdLO圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形Fig2-5doubleclosedloopDCrotationregulationsystemstartingprocessofrotationandcurrentprofile（二）第II階段（t1～t2）是恒流升速階段。Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id

恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（2-5。與此同時(shí)，電動機(jī)的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動量（圖2-4。為了克服這個(gè)擾動，U 和Ud0 c

也必須基本上按線性dIACRPId其輸入偏差電壓U i im

U必須維持一定的恒值，也就是說，I 應(yīng)略低于i dI ACRdm飽和。（三）III（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。n*

n 時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR0其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*輸出電壓Ui*和主電流I 也因而下降。但是，由于I 仍大于負(fù)載電流I ，轉(zhuǎn)速d d dL將在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)上升。直到I =I 時(shí)，轉(zhuǎn)矩T=T ，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才d dL e L能到達(dá)峰值。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng),電流出現(xiàn)一段小于IdL

的過程,直到穩(wěn)定。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的三個(gè)特點(diǎn)：飽和非線性控制當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR電流隨動系統(tǒng)。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制在恒流升速階段，系統(tǒng)電流為允許最大值，并保持恒定，使系統(tǒng)最快起動，即在電流受限制條件下使系統(tǒng)最短時(shí)間內(nèi)起動。轉(zhuǎn)速超調(diào)由于PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，即在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR的輸入偏差電壓UnASRPI調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析要表現(xiàn)為抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。（一）動態(tài)跟隨性能ACR（二）動態(tài)抗擾性能抗負(fù)載擾動2-6aASR（突減（速升為了減少動態(tài)速降（速升ASR±I±U*U*U*Unid0IEn+-ASRACR-KsTs+1s-1/RTs+1ldRTs1/CmeUnUi2-6a雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動Fig2-6aDoubleLoopDCMotorControlSystem-loaddisturbance±?±?Ud-IdLU*nU*iKsUd01/RIdRE+-ASR-UACRTs+11/Cens-Ts+1lTsmUni圖2-6b直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用Fig2-6bDCrotationregulationsystemofdynamicturbulence-prooffunction±?U

—電網(wǎng)電壓波動在可控電源電壓上的反映dd±?U—Fluctuationsinthepowergridvoltagepowerdsupplyvoltagecontrolledreflectonthe抗電網(wǎng)電壓擾動由于電網(wǎng)電壓擾動和負(fù)載擾動在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同系統(tǒng)對它們的動態(tài)抗擾效果就不同如圖2-6b所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓擾動U d負(fù)載擾動IdL

都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。從動態(tài)性能上看，負(fù)載擾動IdL

n的nASR統(tǒng)小得多。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾主，隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。（一）跟隨性能指標(biāo)在給定信號或參考輸入信號R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時(shí)的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)，如圖2-7a所示。圖2-7a典型的階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)Fig2-7athetypicalstepresponseprocessandtracingpropertyindexC(t)與其穩(wěn)態(tài)值CC的時(shí)間越短越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)下列各項(xiàng)：上升時(shí)間tr2-7aCC隨過程中，輸出量從零起第一次上升到C 所經(jīng)過的時(shí)間稱作上升時(shí)間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性。超調(diào)量σ與峰值時(shí)間tp在階躍響應(yīng)過程中，超過tr

以后輸出量有可能繼續(xù)升高到峰值時(shí)間t 時(shí)p達(dá)到輸出量最大值C ，然后回落。C 超過穩(wěn)態(tài)值C 的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值max max 之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即CmaxC

100%平穩(wěn)。調(diào)節(jié)時(shí)間ts調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量輸出量整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過渡過程要到t過渡過程到一定時(shí)間就終止了。為了在線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時(shí)間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下±5%(或取±2%)也包含著它的穩(wěn)定性。（二）抗擾性能指標(biāo)F2-7b指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。圖2-7b突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)Fig2-7bsuddenplusturbulenceofdynamicprocessandturbulence-proofpropertyindex1．動態(tài)降落C %max系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動量，所引起的輸出量最大降落

max

稱作動態(tài)降落。一般用

max

占輸出量原穩(wěn)態(tài)值C1

的百分?jǐn)?shù)C Cmax

100%來表示（或用某基準(zhǔn)值Cb

的百分?jǐn)?shù)C

Cmax

100來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值C2

（C1

C ）是系統(tǒng)在該2擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落，即靜差。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降n2．恢復(fù)時(shí)間t

%。maxv從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值C2

之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值Cb

的±5%（或取±2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間t ，見v2-4b。其中Cb

稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。如果允許的動態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值C 作為基準(zhǔn)值。如果允許的動態(tài)降落較小，2則按進(jìn)入±5%

范圍來定義的恢復(fù)時(shí)間只能為零，就沒有意義了，所以必須選2擇一個(gè)比新穩(wěn)態(tài)值更小的Cb

作為基準(zhǔn)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（BodeDiagram）如圖此，伯德圖是自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。低頻段 中頻L/dB

高頻段-20dB/dec0 -1c圖2-8典型的控制系統(tǒng)伯德圖Fig2-8TypicalcontrolsystemBodeDiagram中頻段以-20dB/dec帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；截止頻率（或稱剪切頻率）

越高，則系統(tǒng)的快速性越好；c低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；的能力越強(qiáng)。以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。獲得比較滿意的結(jié)果。在伯德圖，穩(wěn)定裕度是衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度（即相對穩(wěn)定性）的重要指標(biāo)，保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度可以防止系統(tǒng)在各元件參數(shù)發(fā)生變化后導(dǎo)致不穩(wěn)定，穩(wěn)定裕度也能間接地反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大意味著震蕩弱、超調(diào)小。穩(wěn)定裕度包括模穩(wěn)定裕度Lh

和相穩(wěn)定裕度γ，一般要求：L ≥6dBhγ≥40雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用n跟隨給定電壓

*變化，當(dāng)偏差電壓為零時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。m對負(fù)載變化起抗擾作用。2．電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓對電網(wǎng)電壓波動起及時(shí)抗擾作用。

*變化。i起動時(shí)保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動。保護(hù)作用。當(dāng)故障消失時(shí)，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。MATLABSimulink仿真技術(shù)的背景仿真技術(shù)作為一門綜合性的科學(xué)已有四十多年的發(fā)展歷史,其間經(jīng)歷了物理BASIC、FORTRAN、PASCAL,C遍。用計(jì)算機(jī)高級程序語言編制的系統(tǒng)仿真程序,不但要詳盡描述各類事件的發(fā)程序也會很長,難于調(diào)試。同時(shí),為了設(shè)計(jì)出優(yōu)良的人機(jī)界面,對數(shù)據(jù)輸入方式和仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)打印格式或圖形表達(dá)形式要大費(fèi)心思。MatlabSimulinkFORTRANCMatlab1980CleveNewMexicoMatlab（MATrixLABoratory，即矩陣實(shí)驗(yàn)室，它是集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過1984MathWorksMatlabSimulnk，該工具很快在控制界得到了廣泛的應(yīng)Simula1992SimulinkSimulink的出現(xiàn)，MatlabCAD目前的Matlab已經(jīng)成為國際上最為流行的軟件之一，它除了傳統(tǒng)的交互式編程外，還提供了豐富可的矩陣運(yùn)算，圖形繪制，數(shù)據(jù)處理，圖像處理，方便的Windows編程等便利工具，由各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者相繼推出了以Matlab為基礎(chǔ)的實(shí)用工具箱工具箱,其中主要有信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、μMatlab必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)。Matlab提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真Simulink可有效解決上述仿真技術(shù)問題。在Simulink中，建立系統(tǒng)模Matlab可視化工具多種多樣且易于操作。利用Simulink對動態(tài)系統(tǒng)做適當(dāng)仿真和分結(jié)果用圖形方式顯示在示波器的窗口或?qū)?shù)據(jù)以數(shù)字方式顯示出來。常用的Scope，XYGraphDisplay。Simulink為了準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計(jì)算機(jī),然后對之進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真,MathWorksMATLABSimulink。MATLABToolboxSimulink性的變化。MATLABSimulink有兩個(gè)明顯的功能:仿真與連接,亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口SimulinkMatlabCADSimulinkMatlabM-變仿真參數(shù)的功能。因此可以不難理解它自推出以后,就一直受到歐美和日本等國家或地區(qū)的控制界學(xué)者的青睞。Simulink比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink包含有Sinks(輸出方式)、SourceLinear(Nonlinear(Connections(連Extra(其它環(huán)節(jié))子模型庫,而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自已的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu),因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型,然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊,來查看其下一級的內(nèi)容,以此類推,從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié),幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。SimulinkMatlab鍵入命令來對它進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便,而命令行方式對于Scope就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外,用戶還可以在改變參數(shù)后能迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)MatlabWorkspace(事后處理。MatlabSimulink自已的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的一種方法。通?？刂葡到y(tǒng)仿真的過程按以下步驟進(jìn)行：第一步，建立自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型微分方程與差分方程，數(shù)學(xué)模型。這是解析法建立數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿真的主要依據(jù)。第二步，建立自控系統(tǒng)的仿真模型原始的自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型比如微分方程，并不能用來直接對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。還得將其轉(zhuǎn)換為能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。統(tǒng)的各種模型，這些模型都可以對離散系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。第三步，編制自控系統(tǒng)仿真程序Basic、Fortran程序。當(dāng)然也可以直接利用仿真語言。MATLABToolboxSimulinkMATLABMATLAB殊軟件工具的子集。第四步，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果系統(tǒng)仿真的要求輸出仿真結(jié)果。Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。晶閘管—直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（V-M）Simulink4Pnom

=10kW,U

nom

=220V,

nom

=53.5A,

nom

=1500r/min,電樞電阻Ra

=0.31Ω，路總電阻R=0.4Ω,電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)Ta

=0.0128s,三相橋平均失控時(shí)間T =0.00167s；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks

=20；系統(tǒng)運(yùn)動部分飛輪矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)T

=0.042sKm

=0.0067Vmin/r,系統(tǒng)電流反饋系數(shù)K =0.072V/A，電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Ti

=0.002s；轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)T =0.01s。忽略系統(tǒng)的非線性，分別對系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)速外環(huán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與on動態(tài)的計(jì)算及仿真如下。4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的SimulinkofSimulinkdynamicstructurediagram首先，計(jì)算額定磁通下的電機(jī)電動勢轉(zhuǎn)速比：C Uenomn

nom

Ra0.1356Vmin/rnom[2]，將電流環(huán)設(shè)計(jì)I[1]，因?yàn)榈湫虸II[1]IIn 小，符合轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)要求。max為保證電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的運(yùn)算放大器工作在線性特性段及保出端都設(shè)置了限幅裝置。MATLABMATLAB信號經(jīng)過同樣的延滯。其傳遞函數(shù)為：1Ts1oiIPI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：W (s)=

Ts1 0.0128s1i = ,

=0.32，

=0.0128=TACR

pi Ts 0.04s pi i i電流環(huán)的校正主要是對晶閘管整流與移相觸發(fā)裝置的放大倍數(shù) Ks

進(jìn)行校正，校正前Ks

=20，構(gòu)成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx010.mdl；校正后Ks

=30，構(gòu)成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx010a.mdl。其他參數(shù)不變，校正前、后的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型只是Ks的值不一樣，所以在此只給出校正后的mx010a.mdl文件的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的模型，如圖4-1-1A所示。4-1-1A帶參數(shù)電流環(huán)的Simulink的模型為mx010a.mdlFig4-1-1AthebeltparametercurrentloopSimulinkmodelisthemx010.mdldocument在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157.m：%MATLABPROGRAML157.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010a');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)[y,t]=step(s1);[mp,tf]=max(y);cs=length(t);yss=y(cs);sgm=100*(mp-yss)/ysstp=t(tf)運(yùn)行該程序可得模型mx010.mdl與mx010a.mdl的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-1-1B的(a)與(b)所示,并對于圖4-1-1B的(b)圖求出性能指標(biāo)：超調(diào)量：%=4.4403%,峰值時(shí)間：t =0.0209s。p(b)圖4-1-1B電流環(huán)階躍響應(yīng)Simulink曲線Fig4-1-1BthecurrentloopstepresponsetheSimulinkcurve4-1-1B(a)Ks

=20時(shí)的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)，階躍響應(yīng)曲線單調(diào)上升，完全無超調(diào)，并且在0.04s內(nèi)響應(yīng)即結(jié)束。這樣的電流環(huán)階躍響應(yīng)很理想,但是電機(jī)的加速起動不夠快。4-1-1B(b)Ks

=304.4403%，符合I型系統(tǒng)超調(diào)量小的特點(diǎn)，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時(shí)間（0.0209s）非常0.04s電機(jī)又不受什么影響。繪制單位階躍擾動響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo)在圖4-1-1A中兩個(gè)擾動信號作用點(diǎn)分別施加單位階躍信號，繪制其擾動響應(yīng)曲線，并求其最大動態(tài)降落與最大動態(tài)降落的時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間。為進(jìn)行仿真在信號綜合點(diǎn)1與2施加擾動信號是分別構(gòu)成 MATLAB里的結(jié)構(gòu)圖模型mx010b.mdl與mx010c.mdl，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)圖模型中的數(shù)據(jù)和圖4-1-1A相同，只是擾動信號作用點(diǎn)不同。單位階躍擾動信號的極性為負(fù)。在程序文件方式下執(zhí)行以下調(diào)用函數(shù)dist()的MATLAB程序L157a.m：%MATLABPROGRAML157a.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)[y1,t1]=step(s1);[detac,tp,tv]=dist(1,y1,t1);[detac0,tp0,tv0]=dist(2,y1,t1);t=[0:0.01:0.2];[y2,t2]=step(s2,t);[detac1,tp1,tv1]=dist(1,y2,t2);[detac2,tp2,tv2]=dist(2,y1,t1);4-1-2(a)2detac=-0.9061

=0.0092s5%tp

=0.0459s；基準(zhǔn)值2%范tv

=0.0580s(b)圖4-1-2電流環(huán)單位階躍信號擾動響應(yīng)曲線Fig4-1-2currentloopunitstepsignalturbulenceresponsecurvemx010b.mdl4-1-2(b)1detac=-26.3855；

=0.0106s；基準(zhǔn)值5%范ptv

=0.0900s2%tv

=0.1000s。21流環(huán)對擾動信號的抗擾能力越好。單位沖激信號擾動的響應(yīng)曲線4-1-1A起沖激擾動響應(yīng)曲線。在動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中單位沖激信號的信號疊加點(diǎn)極性為正。在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157b.m：%MATLABPROGRAML157b.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);impulse(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);impulse(s2)214-1-3(a)與(b)所示。(b)圖4-1-3 電流環(huán)單位沖激信號擾動響應(yīng)曲線Fig4-1-3currentloopunitimpulsesignalturbulenceresponsecurve電流環(huán)沖激擾動響應(yīng)過程呈單調(diào)衰減如圖4-1-3(a)所示或者呈一次衰減振4-1-3(b)0.06s覺不出擾動的作用。說明電流環(huán)的抗擾性能好。MATLABBode4-1-4aSimulinkmx007d.mdl.圖4-1-4a 電流閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig4-1-4acurrentclosed-loopsystemsplit-loopstructurediagram在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157c.m:%MATLABPROGRAML157c.mn1=1;d1=[0.0021];s1=tf(n1,d1);n2=[0.01281];d2=[0.040];s2=tf(n2,d2);n3=30;d3=[0.001671];s3=tf(n3,d3);n4=2.5;d4=[0.01281];s4=tf(n4,d4);n5=0.072;d5=[1];s5=tf(n5,d5);sys=s1*s2*s3*s4*s5;margin(sys)Bode4-1-4b出電流環(huán)的頻域性能指標(biāo)：模穩(wěn)定裕度L =18.2dB -π穿越頻率W =547rad/sh g相穩(wěn)定裕度γ=63.6 剪切頻率Wc

=128rad/s圖4-1-4b 電流環(huán)的Bode圖Fig4-1-4bcurrentloopofBodediagram工程上，一般要求模穩(wěn)定裕度Lh

≥6dB,相穩(wěn)定裕度γ≥40足夠的穩(wěn)定裕量，其頻域性能是優(yōu)良的，反映了電流環(huán)具有良好的相對穩(wěn)定性。MATLABMATLAB加了濾波慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：1T s1onII應(yīng)選擇比例積分調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：W (s)=

Ts1n ，

0.0867ASR

pn Ts nn轉(zhuǎn)速環(huán)的校正主要是對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)K

以及對晶閘管整流與移相觸pn發(fā)裝置的放大倍數(shù)Ks

進(jìn)行校正。

=5，Kpn

=100，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：W (s)=

Ts1 0.08671n = ，

0.0867ASR

pn

s 0.00328s nn構(gòu)成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx011.mdl；

=5.3，Kpn

=30，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：W (s)=

Ts1 0.0867s1n = ，

0.0867ASR

pn

s 0.0164s nn構(gòu)成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx011a.mdl。其他參數(shù)不變，校正前、后的動態(tài)結(jié)構(gòu)

Kpn

的值不一樣，所以在此只給出校正后的mx011a.mdl文件的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的模型，如圖4-2-1A所示。圖4-2-1A帶參數(shù)雙閉環(huán)系數(shù)的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx011.mdlFig4-2-1AthebeltparameterdoubleclosedloopcoefficientSimulinkdynamicstructurediagrammodelmx011.mdl用linmod()與step()函數(shù)命令并調(diào)用函數(shù)perf()MATLABL157d.m在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157d.m:%MATLABPROGRAML157d.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1,'k')holdon[y1,t1]=step(s1);[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011a');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2,'k')[y2,t2]=step(s2);[sigma1,tp1,ts1]=perf(1,y1,t1);[sigma2,tp2,ts2]=perf(1,y2,t2);程序執(zhí)行后，可得轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-2-1B所示。(b)圖4-2-1B轉(zhuǎn)速環(huán)階階躍響應(yīng)Simulink曲線Fig4-2-1Btherotationloopstepresponsecurve4-2-1B(a)了衰減振蕩，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性差。程序運(yùn)行后，可得到圖14-2-1B(a)階躍響應(yīng)性能指標(biāo)：超調(diào)量：σ%=67.7645%；峰值時(shí)間：t =0.0258s；調(diào)節(jié)時(shí)間：t=0.1048s。p s同時(shí)可得到圖4-2-1B(b)階躍響應(yīng)性能指標(biāo):超調(diào)量：σ%=34.1602

=0.0897s；tp

=0.1876s。調(diào)節(jié)時(shí)間數(shù)值均對應(yīng)于5%的誤差帶。由計(jì)算圖4-2-1B(b)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)可見轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍響應(yīng)超調(diào)量σ%<35%,峰值時(shí)間t

<0.1s,調(diào)節(jié)時(shí)間tp

<0.2s,表明系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)快，這樣的系統(tǒng)響應(yīng)是非常理想的。繪制單位階躍信號擾動響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo)4-2-1A12MATLABmx011b.mdlmx011c.mdl4-2-1A在程序文件方式下執(zhí)行以下用linmod()與step()函數(shù)并調(diào)用dist()L157e.m:%MATLABPROGRAML157e.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);t=[0:0.01:0.5];[y1,t1]=step(s1,t);figure(1);step(s1,t);holdon[detac,tp,tv]=dist(1,y1,t1)[detac0,tp0,tv0]=dist(2,y1,t1)[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);t=[0:0.01:0.5];[y2,t2]=step(s2,t);figure(2);step(s2,t);[detac1,tp1,tv1]=dist(1,y2,t2)[detac2,tp2,tv2]=dist(2,y2,t2)程序執(zhí)行后，可得轉(zhuǎn)速環(huán)的單位階躍擾動響應(yīng)曲線如圖4-2-2所示。(a)與124-2-2(a)，計(jì)算t =0.05s;基準(zhǔn)值5tp

=0.19s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：t =0.21s。對于圖4-2-2(b)計(jì)算其階躍擾動響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動態(tài)降落：vdetac=-26.1314

=0.03s；基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：pt=0.28s;2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：tv

=0.29s。由階躍擾動響應(yīng)性能指標(biāo)值可知，該系統(tǒng)對擾動信號具有良好的動態(tài)抗擾作用，對比兩個(gè)階躍擾動響應(yīng)性能指12好。(b)圖4-2-2 轉(zhuǎn)速環(huán)的單位階躍擾動響應(yīng)曲線Fig4-2-2rotationloopunitstepturbulenceresponsecurve(a)與(b)圖分別對應(yīng)著擾動信號作用于 1與2兩個(gè)不同的點(diǎn)。對于圖4-2-2(a)，計(jì)算其階躍擾動響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動態(tài)降落：detac=-1.8724；

=0.05s;基準(zhǔn)值5%tp

=0.19s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：tv

=0.21s。對于圖4-2-2(b)計(jì)算其階躍擾動響應(yīng)性能指標(biāo)：t

=0.03s；基準(zhǔn)值5%范圍p的恢復(fù)時(shí)間：tv

=0.28s;基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：tv

=0.29s。由階躍擾動響應(yīng)性能指標(biāo)值可知，該系統(tǒng)對擾動信號具有良好的動態(tài)抗擾作用，對比兩個(gè)階躍擾12的抗擾能力越好。單位沖激信號擾動的響應(yīng)曲線4-2-1A應(yīng)曲線。在程序文件方式下執(zhí)行以下MATLAB程序L157f.m:%MATLABPROGRAML157f.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011b');figure(1);impulse(a1,b1,c1,d1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011c');figure(2);impulse(a2,b2,c2,d2)124-2-3(a)與(b)所示。(b)圖4-2-3轉(zhuǎn)速環(huán)單位沖激信號擾動響應(yīng)曲線Fig4-2-3rotationloopunitimpulsesignalturbulenceresponsecurve轉(zhuǎn)速環(huán)單位沖激擾動響應(yīng)過程如圖 4-2-3(a)所示呈單調(diào)衰減或者如圖4-2-3(b)所示呈一次衰減振蕩在0.2s內(nèi)就結(jié)束了，抗擾動過程亦非常短暫，統(tǒng)轉(zhuǎn)速外環(huán)已經(jīng)感覺到擾動，但經(jīng)0.2s擾動響應(yīng)的過程已經(jīng)結(jié)束。說明系統(tǒng)抗擾性能好MATLAB頻域分析是運(yùn)用閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線來分析閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)與性能的。頻域分析的主要內(nèi)容是繪制Bode圖與計(jì)算頻域性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2-4a(未畫出轉(zhuǎn)速環(huán)給定平衡濾波環(huán)節(jié)),此圖即為mx011d.mdl動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，對mx011d.mdl進(jìn)行仿真操作如下：圖4-2-4a轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig4-2-4arotationclosed-loopsystemsplit-loopstructurediagramlinmod()margin()MATLABMATLABL157g.m:%MATLABPROGRAML157g.m[a,b,c,d]=linmod('mx011d');sys=ss(a,b,c,d);margin(sys)語句指令執(zhí)行后可得Bode圖如圖4-2-4b所示。圖4-2-4b 電流環(huán)的Bode圖Fig4-2-4brotationloopofBodediagram從由圖上可得轉(zhuǎn)速環(huán)頻域性能指標(biāo)：模穩(wěn)定裕度L =12.6dB -π穿越頻率W =99.7rad/sh g相穩(wěn)定裕度γ=剪切頻率Wc

=30.6rad/s數(shù)據(jù)顯示，模穩(wěn)定裕度Lh

>6dB,相穩(wěn)定裕度γ40,說明控制系統(tǒng)有較大的穩(wěn)定裕度，反映了該系統(tǒng)具有良好的相對穩(wěn)定性?？偨Y(jié)通過對電流環(huán)內(nèi)的觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks

的校正，利用MATLAB及其中Simulinktp通過對轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)PIK

Kpn的校正，使轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應(yīng)性能指標(biāo)的超調(diào)量σ%<35%,峰值時(shí)間t

s<0.1s,調(diào)節(jié)時(shí)p間t <0.2s，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使動態(tài)響應(yīng)更平穩(wěn)。由電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)階躍sSimulink性能。MATLAB階躍擾動響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動態(tài)降落detac、最大動態(tài)降落時(shí)間t

和恢復(fù)時(shí)間pt v態(tài)抗擾能力。MATLABBodeL>6dB,相穩(wěn)定裕度γ>40 ，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)都有足夠的穩(wěn)定裕度，符合實(shí)際工h程的設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)有良好的相對穩(wěn)定性。MATLAB7Simulink行仿真設(shè)計(jì),可以迅速直觀地分析出系統(tǒng)的跟隨性能、抗擾性能及穩(wěn)定性，使得高了開發(fā)系統(tǒng)的效率。對于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，MAT