雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真剖析

1、采用a = B配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)速性能matlab仿真1.設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 、不可逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路采用三相橋式整流電路，系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：Pn =5.5kw，U=220V, In=28A,鵡=人 電樞回路電阻R=0.8 Q ,允許電流過載倍數(shù) 入=1.8 ,電磁時(shí)間常數(shù) Tl=0.048s ,機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=0.185s, 觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=B,整流電裝置內(nèi)阻 R-=1.3 Q ,平均失控時(shí)間常數(shù) Ts=0.0017s,最大輸入、輸出電壓均為10V,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速

2、反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.015s。第一組：A=1200 r/min、B=25;第二組：A=1300 r/min、B=25;第三組：A=1300 r/min、B=35;第四組：A=1490 r/min、B=35; 、設(shè)計(jì)一個(gè)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，電動(dòng)機(jī)參數(shù)：U=220V,l dN=136A,nN=1460r/min,Ce=0.132V.min/r,過載倍數(shù) 入，整流裝置放大系數(shù)Ks =40,電樞回路總電阻 R= 0.5歐，時(shí)間常數(shù)Tl=0.03s,T h=0.18s，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a，取電流反 饋濾波時(shí)間常數(shù) 6 = 0.0017s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton

3、= 0.01s,取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器的飽和值為12V,輸出限幅值為10V。第五組：入=1.3、a = 0.005V.mi n/r ;第六組：入=1.4、a = 0.006V.mi n/r ;第七組：入=1.5、a = 0.007V.mi n/r ;第八組：入=1.6、a = 0.01V.mi n/r ;第九組：入=1.7、a = 0.008V.mi n/r ; 、第二章習(xí)題2-14 (電磁時(shí)間常數(shù)、機(jī)電時(shí)間常數(shù)作如下更改) 第十組：Tl=0.012s , Tf0.12s ;第 一組：Tl=0.02s , Tm=0.12s ;第十二組：Tl=0.03s , Tm=0.18s ;第十三組：T

4、l=0.03s , Tm=0.25s ;第十四組：Tl=0.025s , Th=0.18s ;第十五組：Tl=0.018s , Th=0.20s ;1.2分組安排做仿真課設(shè)的每四人一組，共十二組,1.2設(shè)計(jì)要求(1) 在負(fù)載和電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下穩(wěn)態(tài)無靜差；(2) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 (Ti 5%轉(zhuǎn)速超調(diào)量d nW 10%(3) 首先按工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì) ASR ACR(4) 利用matlab對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路仿真，觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、 電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù) 變化(負(fù)載、磁場(chǎng)等擾動(dòng)量)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。(5)做直流電機(jī)四象限運(yùn)行仿真，包括正向啟動(dòng)t正向穩(wěn)態(tài)運(yùn)行t正向制動(dòng)t反向啟動(dòng)t反向穩(wěn)態(tài)運(yùn)行t反向制動(dòng)

5、t停車等過程的電流、轉(zhuǎn)速、電樞電壓的波形。參考資料如下:雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(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，會(huì)大大增強(qiáng)用戶系統(tǒng)仿真的能力。在教材第三章中，對(duì)工程實(shí) 踐中用得最多的典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在此基礎(chǔ)上，利用SIMULINK軟件仿真能對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為方便的調(diào)整，可以更為直觀地得到系統(tǒng)

6、 仿真的結(jié)果，從而加深對(duì)工程設(shè)計(jì)方法的理解。下面就以例題 3- 1, 3 2設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)為例，學(xué)習(xí) SIMULINK軟件的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真方法。1 仿真模型的建立進(jìn)入MATLAB單擊MATLAB令窗口工具欄中的 SIMULINK圖標(biāo)，或直接鍵入SIMULINK 命令，打開SIMULINK模塊瀏覽器窗口，如圖 1所示。由于版本的不同，各個(gè)版本的模塊瀏 覽器的表示形式略有不同，但不影響基本功能的使用。Pile Edit Vi ew CS -W RrdC out i nu aus: Einul inX3/Cont InuousReady圖1 SIMULINK模塊瀏覽器窗口(

7、1) 打開模型編輯窗口：通過單擊SIMULINK工具欄中新模型的圖標(biāo)或選擇File tNewtModel菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。(2) 復(fù)制相關(guān)模塊：雙擊所需子模塊庫圖標(biāo)，則可打開它，以鼠標(biāo)左鍵選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口。在本例中，需要打開SimPowerSystems模塊庫，從 Electrical Source 組選中 ACVoltage Source 和 DC Voltage Source 模塊拖入模型編輯窗口，從Elements 組選中 SeriesRLC Bran ch和Three-Phase Tran sfomer模塊拖入模型編輯窗口，從Mach in es組選中 DCMachine模

8、塊拖入模型編輯窗口，從 Power Electronics 組選中Universal Bridge 模塊拖 入模型編輯窗口，從Measurements組選中 Voltage Measurement 模塊拖入模型編輯窗口，從Connectors組選中Ground和T Connector 模塊拖入模型編輯窗口需要從Simulink模塊庫中把Source組中的Step模塊拖入模型編輯窗口；把 Math組 中的Sum和 Gain模塊拖入模型編輯窗口；把Continuous組中的Transfer Fen 模塊拖入模型編輯窗口；把 Sinks組中的Scope模塊拖入模型編輯窗口；把Signal Rount

9、ing組中的Demux模塊拖入模型編輯窗口；此外，我們還需要ASR ACR和 Pulse Generator三個(gè)子系統(tǒng)模塊。至此，我們已經(jīng)把轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口。如圖2所示。圖2模型編輯窗口(3) 修改模塊參數(shù)：雙擊模塊圖案，則出現(xiàn)關(guān)于該圖案的對(duì)話框，通過修改對(duì)話框內(nèi)容來設(shè)定模塊的參數(shù)。在本例中，雙擊加法器模塊 Sum，打開如圖3所示的對(duì)話框，在 List of Sig ns 欄目 描述加法器三路輸入的符號(hào)， 其中|表示該路沒有信號(hào)， 所以用|+-取代原來的符號(hào)，得到動(dòng) 態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中所需的減法器模塊了。Block FaruetersZ SiSu

10、mAdd or subtract inputs. Specify one o the following：a) string cont軌imin宜豐 of = for each irsput port,. | for spacer between ports fe. g. +卜 |+)b) seal ar N 丸 value 1 iwtE all inputs.; 1 sims el erm exit s of a single input vectorParanetersIcon shaLpe：Li st of signs：F7 Sator也le on intgtr overflowOK圖3

11、加法器模塊對(duì)話框雙擊傳遞函數(shù)模塊(Transfer Fen ),則將打開如圖4所示的對(duì)話框，只需在其分子Numerator和分母 De no mi nator欄目分別填寫系統(tǒng)的分子多項(xiàng)式和分母多項(xiàng)式系數(shù)，例如 0.002S+1是用向量0.002 1來表示的。在這里我們用它可以構(gòu)建轉(zhuǎn)速、電流反饋濾波器和 給定濾波器。圖4傳遞函數(shù)模塊對(duì)話框雙擊階躍輸入模塊(Step)可以把階躍時(shí)刻(Step time)參數(shù)從默認(rèn)的1改到0,把階躍 值(Fi nal value)從默認(rèn)的1改到10。圖5階躍輸入模塊對(duì)話框雙擊交流電壓源(AC Voltage Source) 得到下圖 6,修改峰值(Peak ampl

12、itude )默認(rèn) 的參數(shù)100為200*sqrt(2)，修改頻率(Frequency )默認(rèn)參數(shù)為50。為了形成三相交流電 源，三個(gè) AC Voltage Source 的 Phase 項(xiàng)依次填入 0、-120、-240 ,分別對(duì)應(yīng) uA、uB uC。(標(biāo)注uA、uB、uC,可以通過單擊 AC Voltage Source 進(jìn)行修改。)圖6交流電壓源模塊對(duì)話框雙擊直流電壓源模塊(DC Voltage Source )得到下圖7，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。圖7直流電壓源模塊對(duì)話框雙擊三相變壓器模塊出現(xiàn)下圖8對(duì)話框。修改額定

13、功率和頻率項(xiàng)（Nominal power andfreque ncy ）為2e6，50。對(duì)于提供電機(jī)電源的變壓器，選擇其ABC原邊繞組聯(lián)結(jié)（Win di ng1（ABC） conn ection ）為Delta（D11）（三角形，電壓相位領(lǐng)先Y聯(lián)結(jié)30）,修改繞組參數(shù)（Win di ng parameters ）為 380（相電壓 V1 Ph-Ph）;選擇 abc 副邊繞組聯(lián)結(jié)（Win di ng 2 （abc） conn ection ）為Y（星形，無中線），修改繞組參數(shù)（Winding parameters）為213 （相電壓 V2 Ph-Ph）。對(duì)于提供同步脈沖電源的變壓器，選擇其ABC

14、原邊繞組聯(lián)結(jié)為 Delta（D11），修改繞組參數(shù)為380 ；選擇abc副邊繞組聯(lián)結(jié)為 Y，修改繞組參數(shù)為15;修改其磁阻（Rn）為500， 勵(lì)磁電感（Lm）為500。圖8變壓器模塊對(duì)話框三相電源或三相變壓器的二次側(cè)；它的兩個(gè)輸出端K和A,則輸出整流后的直流電壓，其中K端為“ +”，A端為“-”。模型的脈沖輸入端 pulse用于接入晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。雙擊模塊彈出對(duì)話框圖 9。四個(gè)參數(shù)分別是導(dǎo)通電阻 (Thyristor on-state resitanee )、 導(dǎo)通電感(Thyristor on-state in ducta nee)、緩沖電阻(Sn ubber resista nee)、緩

15、沖電容(Sn ubber capacita nee) 。圖9三相可控整流電路模塊對(duì)話框直流電機(jī)模塊(DCMaehine)，F(xiàn)+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)。雙擊模塊打開對(duì)話框圖10。修改參數(shù)電樞電阻和電感( Armature resista nee andin dueta nee )為0.21 0.0021，勵(lì)磁電阻和電感(Field resista neeand in dueta nee )為146.70，勵(lì)磁和電樞互感(Fi

16、eld-armature mutual induetanee)為 0.84，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Total inertia)為 0.572，粘滯摩擦系數(shù)(Viscous frietion eoeffieient)為 0.01 ，庫侖摩擦轉(zhuǎn)矩(Coulomb frietion torque)為 1.9，初始角速度(initial speed) 為 0.1。Block Pwet&rs： DC lchiacDC ma chine Gnask) dink)Thi block implDiment5 耳 sepratly excited DC machine.Access i e provi dLed to ti

17、e field coraiectiorLS so that the machine can be used as 包 shunor aseri esC0MtftC!ted DC n亡hin色.Input 1 and output 1 : positive and negative armi魚tur虐 terminalsInput 2 ulH output 2 : positive md negative field terminals.Input 3: Lo嶷& torqueOutput 3 : SirmUinJk measurement output w Ta. If T啟Panameter

18、sArmatur* resistance and iadu亡tauce fLa Cohms) L魚 OH) Field r*sistance and inductance R (ohms) L (X) | 240 120Fi eld-ar mature miutual indue taiice Laf 00 :pTotal merti a J (kg.Viscous friction coe：ici ent Em Of. m.毎)pCoulomb friction torque Tf Qi. m)I5Initialtxad/s):OKCutcelHelp圖10 直流電機(jī)模塊對(duì)話框 雙擊Gain

19、可修改增益。圖11增益模塊對(duì)話框雙擊Series RLC Branch,可依次修改電阻、電感和電容。Block Farueters： Seri EUC BruchSeri es ELC EranchUink)Implements a ser i es RLC branch.PanametersResi stwace R (Ohms):OKCarte elApply圖12RLC串聯(lián)電路模塊對(duì)話框雙擊示波器出現(xiàn)圖13,點(diǎn)擊二，即可打開圖14(a)所示對(duì)話框。改變 就可改變接入信號(hào)的個(gè)數(shù)。還可以右擊選擇Axes proporties 得到圖14(b) 來設(shè)置所顯示參量的名字。Number of ax

20、es 通過修改Title圖13示波器模塊對(duì)話框J r Scope2T parapet erslxGeneral D自怡 historyTip try right clicking on axesAxesNumber of axes: 1廠 floating recipeTime range: | utoTick labels: | bottom axis only *|SamplingDecimation 二I 1OK Cancel Help App”圖14(a)示波器參數(shù)修改對(duì)話框圖14(b)示波器坐標(biāo)軸參數(shù)修改對(duì)話框雙擊信號(hào)分解模塊(Demux)，通過修改(Number of output

21、s)可以改變輸出信號(hào)的個(gè)數(shù)。圖15 分解模塊對(duì)話框ASR ACR其實(shí)是由放大器、積分器、加法器、限幅器組成的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全一樣的控制環(huán)節(jié)。它們用了來自 Math組的Gain模塊來仿真比例器，用Continuous組的Integrator模塊和Gain模塊的串接來仿真積分器，兩者通過加法器模塊 Sum構(gòu)成了 PI調(diào)節(jié)器。經(jīng)過子系統(tǒng)封裝后構(gòu)成一個(gè)模塊。我們可以通過Edit菜單選項(xiàng)Look under Mask查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。曰 doubledoseloops/ASR *圖16 ASR ACF模塊雙擊ASR或 ACR莫塊填寫PI調(diào)節(jié)器所需要的放大系數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)和上、 下輸出(積分)限幅值，本例的輸

22、出(積分)飽和值10和-10。其原因是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是工作在限幅飽和狀 態(tài)，故要在仿真模型中真實(shí)地反映出來。如下圖17(a)所示：如圖17(a)ASR ACR模塊參數(shù)修改對(duì)話框Pulse Generator的機(jī)構(gòu)如下圖17(b)所示，主要是一個(gè)同步6脈沖觸發(fā)器，由子系統(tǒng)(如圖17(c)所示)構(gòu)成三相同步電壓源，由Fen將ACR輸出轉(zhuǎn)換成脈沖控制角 a。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“1”則沒有脈沖輸出，整流器也不會(huì)工作。圖 17(b)圖 17(c)完成了對(duì)模塊參數(shù)的調(diào)整后就可以(4)模塊連接：以鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊起點(diǎn)模塊輸出端，拖動(dòng)鼠標(biāo)致終點(diǎn)模塊輸入端

23、處，則 在兩模塊間產(chǎn)生t”線。按照?qǐng)D2的情況，反饋回路中的模塊的輸入端和輸出端的方向位置不妥，應(yīng)該把它水平反轉(zhuǎn)。單擊該模塊，選取Format t Rotate Block菜單項(xiàng)可使模塊旋轉(zhuǎn)90;選取Formatt Flip Block菜單項(xiàng)可使模塊翻轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)信號(hào)要分送到不同模塊的多個(gè)輸入端時(shí)，需要繪制分支線，通常可把鼠標(biāo)移到 期望的分支線的起點(diǎn)處， 按下鼠標(biāo)的右鍵，看到光標(biāo)變?yōu)槭趾螅?拖動(dòng)鼠標(biāo)直至分支線的終 點(diǎn)處，釋放鼠標(biāo)按鈕，就完成了分支線的繪制。此外，選中某一模塊后，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)中模塊四角的黑方塊進(jìn)行拖曳，可以改變模塊圖形的大小。使用者可以根據(jù)實(shí)際情況操作，使得界面更清楚，更美觀。模塊連接

24、完成了后的仿真模型如圖18所示。圖18電流環(huán)的仿真模型2 .電流閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真(1)仿真過程的啟動(dòng)：?jiǎn)螕魡?dòng)仿真工具條的按鈕或選擇Simulation宀Start菜單項(xiàng)，則可啟動(dòng)仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結(jié)果，如圖19所示。圖19直接仿真結(jié)果(2)仿真參數(shù)的設(shè)置：從圖 19顯示的仿真結(jié)果來看，無法對(duì)階躍給定響應(yīng)的過渡過程有一個(gè)清晰的了解，需要對(duì)示波器顯示格式作一個(gè)修改，對(duì)示波器的默認(rèn)值逐一改動(dòng)。改動(dòng)的方法有多種，其中一種方法是選中圖18 Simuli nk 模型窗口的 Simulation 宀Simulationparameters菜單項(xiàng)，打開如圖 20所示的對(duì)話框，對(duì)仿真控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖20 Simulink仿真控制參數(shù)對(duì)話框其中的Start time 和Stop time 欄目分別允許填寫仿真的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，把 默認(rèn)的結(jié)束時(shí)間從10.0秒修改為0.35秒。再一次地啟動(dòng)仿真過程，然后啟動(dòng)Scope工具條中的第6個(gè)按鈕昶自動(dòng)刻度(Autoscale),它會(huì)把當(dāng)前窗中信號(hào)的最大最小值為縱坐標(biāo)的上下限，從而得到了圖 21所示的