[畢業(yè)設計精品]雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真研究

1、畢業(yè)設計（論文）開題報告學生姓名： 學 號： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 06電氣2班 設計（論文）題目： 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真研究 指導教師： 二級學院： 機電工程學院 2010年03月24日1. 選題的背景與意義1.1 選題的背景當前全球經濟快速發(fā)展，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當多發(fā)展中國家的經濟增長，也為許多發(fā)達國家?guī)砹讼喈敶蟮膯栴}。隨著全球能源消耗的增加，地球的礦物能源已面臨枯竭、環(huán)境問題也日益突出，在世界各地的大、中城市，大氣污染物中約40%70%來自內燃機汽車的尾氣排放。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。世界

2、銀行一個專家組的調查報告中指出：中國大城市的污染狀況目前是全世界最為嚴重的，全世界空氣污染最嚴重的20個城市中，有10個在中國，而中國華北、華東的大城市調查中，大氣污染的70%來自于汽車的尾氣排放，電動汽車以其依靠電能驅動車輛，電能在驅動汽車行駛過程中基本不排放有害氣體，對環(huán)境不會造成污染等特點使得電動汽車的研究越來越受到重視。而電機調速系統(tǒng)是電動汽車的重要部分，是電動汽車的心臟。電動汽車的驅動裝置有許多種，直流電機使用簡便，具有良好的啟動性和調速性，是目前使用最廣泛的一種?！?】直流調速系統(tǒng)在工礦企業(yè)應用廣泛，是電力拖動控制系統(tǒng)的一個重要的研究方向。單閉環(huán)系統(tǒng)起動電流不是最大，擾動造成的動態(tài)

3、偏差大，所有反饋都在一個調節(jié)器上，參數整定困難，不能隨心所遇地控制電流和轉矩的動態(tài)過程?！?】由于現在一般對直流電動機的調速和轉矩控制性能要求高，其中最典型的是轉速-電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)。對抗電網電壓擾動和抗負載擾動都有很好的調節(jié)作用。1.2 國內外研究現狀1.2.1 直流調速可控直流電源g-m系統(tǒng)：由交流電動機（異步機或同步機）拖動直流發(fā)電機g實現變流，由g給需要調速的直流電動機m供電，調節(jié)g的勵磁電流if即可改變其輸出電壓u，從而調節(jié)電動機的轉速n。特點：對調速性能要求不高，設備多，體積大，費用高，效率低維護不方便。v-m系統(tǒng)：晶閘管整流裝置，逐步取代了旋轉變流機組和離子拖動變流裝

4、置，使變流技術產生了根本性的變革。如圖1.2.1a，圖中vt是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓ud，從而實現平滑調速。特點：晶閘管的單向導電性使電流不允許反向，易損壞器件，較g-m系統(tǒng)大大的提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。+_ml晶閘管vt觸發(fā)器gt+_ucud圖1.2.1a 晶閘管電動機調速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）原理圖pwm脈寬調制:為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現在多改用電力電子開關器件，如快速晶閘管、gto、igbt等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調制開關的電路，統(tǒng)稱脈寬調制變換器。如圖1.2.1b所示

5、，其中vt用開關符號表示任何一種電力電子開關器件，vd表示續(xù)流二極管。mus+_vtvdl+_圖1.2.1b 直流斬波-電動機系統(tǒng)的原理圖pwm系統(tǒng)的優(yōu)越性：（1） 主電路線路簡單，需要的功率器件少（2） 開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較?。?） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達1：10000左右（4） 若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應塊，動態(tài)抗擾能力強。（5） 功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高。（6） 直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。1.2.2 轉速、電流設計的控制方式a

6、) pi控制器與模糊控制的結合賈東耀，曾志剛【8】在其文章中采用的方案是當誤差小于某一閾值e0時，采用pi控制，以提高系統(tǒng)的控制精度；當誤差大于某一閾值e0時，采用模糊控制，以提高系統(tǒng)相應速度，加快相應過程，抑制超調。結構如圖1.2.2a示。這種控制方案難點在于如何選擇切換條件以滿足平穩(wěn)切換和不產生系統(tǒng)振蕩現象。 de/dt模糊控制器pi調節(jié)器選擇開關被控對象eecr(t)y(t)圖1.2.2a pi控制器與模糊控制的結合b) 基本型邏輯控制程彪，孫曉明【10】在論文中采用的方案是基于基本型邏輯控制。當設計內環(huán)時選用基本型控制器的五態(tài)控制方式，使負載電流穩(wěn)定，具有快速性和靈活的跟蹤性；設計外環(huán)

7、時則選用基本型控制器的九態(tài)控制方式以使負載速度穩(wěn)定，加大負載轉速的硬特性。結構如圖1.2.2b所示。較模糊控制的方案有控制算法簡單，易于工程應用和具有良好的控制性能的優(yōu)點?？刂品桨傅那疤嵩谟谌绾芜x擇穩(wěn)定的控制對象。鑒別器控制器對象設定值r設定值ceu1圖1.2.2b 基本型邏輯器的系統(tǒng)組成c) 計算機數字控制與pi控制器相結合王杏進，覃愛娜【16】論文中在采用pi調節(jié)器控制的同時還加入數字化的最優(yōu)給定引導曲線和數字檢測環(huán)節(jié)，來消除輸入給定與反饋輸出之間的誤差，使輸出轉速精確跟蹤輸入給定，實現無靜差。此文在基本情況滿足的情況下考慮到當電源給定受到干擾的情況，根據輸入與輸出有無偏差來選擇處理的形式

8、：當不存在偏差時，選擇前饋方案直接將輸入送至系統(tǒng)電壓給定端；當存在偏差時，系統(tǒng)選擇采用pi調節(jié)減小偏差后再加至系統(tǒng)的輸入端，來消除干擾，獲得好的靜態(tài)精度，結合數字檢測環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)響應精度。優(yōu)點是可以及時消除雙閉環(huán)系統(tǒng)前項通道之外的擾動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定精度，相應曲線也很理想，在對轉速有特殊要求控制系統(tǒng)中，可精確實現控制具有實用的價值。不足在于實際操作設計比較麻煩。d) 現代控制理論與數字控制相結合bo liu, yuanqing xia, jie chen【17】在論文提出一種新型方法，利用現代控制理論和數字控制潮流的結合，替代傳統(tǒng)pid能夠更高地控制精度，尤其是在很多的干擾下,這便是自抗擾控制器

9、（adrc）。它在電力系統(tǒng)控制，機床伺服控制，化工過程控制等有所應用。此文中，考慮到雙閉環(huán)具有時滯性，帶有兩個過濾器的adrc估算它們之間的相互作用并對它們進行補償，最后通過仿真得出較好的控制性能。此種方法的優(yōu)點在于對系統(tǒng)時變和不確定性干擾具有良好適應能力，但參數不易整定和應用的并不廣泛。e) 工程設計方法基于傳統(tǒng)的工程設計參數來處理雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，在姬宣德，韓英，李廣宏【13】及姚建紅【12】的論文中都進行了一定的簡化處理，近似處理，降階處理，按照先內環(huán)后外環(huán)的一般原則，先設計電流環(huán)，然后將電流環(huán)當成是轉速環(huán)的一部分，設計轉速環(huán)。電流環(huán)設計成典型 i型系統(tǒng)，轉速環(huán)設計成典型 ii型系統(tǒng)，

10、然后按照設計要求分別得出acr，asr調節(jié)器的參數。利用matlab/simulink仿真工具對直流調速系統(tǒng)進行參數調試，可以非常直觀地觀察電動機電流和轉速響應情況進行靜態(tài)和動態(tài)分析。此文仿真結果與理想電動機啟動特性有一定差距，通過大量的調試仿真，最后得出最佳波形。王祖亮,侯北平【5】的論文中采取的方法與姬宣德所提出的方法大致是相同的。基于快、準、穩(wěn)的系統(tǒng)設計原則，電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器實現串級控制，從而可以無限逼近理想起動過程。采用工程設計方法，建立數學模型，利用simulink進行系統(tǒng)仿真。通過對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的研究，驗證了飽和非線性控制和準時間最優(yōu)控制兩個鮮明的特點。馬青【4】的論文中基

11、于powersystem工具箱，以調速系統(tǒng)的傳遞函數為基礎，采用工程設計方法對電流環(huán)，轉速環(huán)進行設計，然后通過仿真得出結果驗證設計符合要求。powersystem工具箱仿真不需要忽略非線性因素，直流電源和電位器的內阻，也不需要關心系統(tǒng)是否處在v-m系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段。對電機調速具有良好的控制作用。xiao-kan wang【18】在論文提出的設計方法是采用仿真最優(yōu)的方法按照電流控制的要求決定調節(jié)器屬于哪種典型系統(tǒng)先內環(huán)后外環(huán)的準則進行。通過參數的要求設計計算，設定pi的初始值，使用matlab仿真圖形，然后按照simulink模型pi調節(jié)優(yōu)化條件去進一步優(yōu)化調節(jié)器的參數，直到曲線與實際要

12、求情況和需要很接近。此種方法可以最終達到設計的要求，不需要任何經驗，僅通過多次調試仿真得到最優(yōu)曲線參數。不足之處也便就是過程雖簡單，但需反復調試，過程麻煩，浪費時間。1.3 研究方向就目前而言，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(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速的場合都得到了廣泛的應用?！?】研究直流電機的可控電源部分，對調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應及能源節(jié)約等方面都有重要的意義。電機調速問題是自動化領域比較重要的問題之一，不同領域對調速性能的要求不同，因此對調速系統(tǒng)方面進一步研究。1.4 進展情況雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具有良好的啟制動性能，宜于在大范圍

13、內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。近年來，高性能交流調速技術發(fā)展很快，交流調速系統(tǒng)正逐步取代直流調速系統(tǒng)。然而，直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。現在電氣公司越來越多，分出來也越來越多，原因是直流調速系統(tǒng)經濟效益大，一些大型的公司如西門子、三菱等，設計電路，外購電子，采用大量的雙閉環(huán)設計電動汽車，適應當代的要求。1.5 存在問題（1）采用simulink/matlab仿真對雙閉環(huán)系統(tǒng)必須進行數學建模，并且雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)需做如下的假設：忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系都是線性的

14、；假定只在v-m系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段；忽略直流電源和電位器的內阻等等?！?】（2）電力電子器件本身的開關存在非線性，給實驗的分析帶來一定的復雜性和困難。（3）可控直流電源為晶閘管-電動機存在晶閘管單向導電性和對過電壓、過電流敏感等問題。2. 研究內容與擬解決的主要問題2.1 研究的主要內容本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理和電力拖動控制原理，對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計參數進行分析和計算，利用matlab對系統(tǒng)進行了各種參數給定下的仿真，通過仿真實現雙閉環(huán)直流調速。2.2 擬解決的關鍵問題（1）如何選

15、擇直流調速系統(tǒng)電流環(huán)和轉速環(huán)的控制方法（2）如何選擇直流調速系統(tǒng)的可控直流電源（3）如何解決系統(tǒng)的非線性，大滯后、強耦合的要求（4）如何使仿真結果與理論更接近3. 技術路線、研究方案與可行性分析3.1 系統(tǒng)框圖及電流、轉速環(huán)設計框圖圖3.1a 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 u*na uc-idlnud0un+-b +-uiwasr(s)wacr(s)ks tss+11/rtl s+1rtmsu*iid1/ce+e電流、轉速雙閉環(huán)系統(tǒng)設計電流環(huán)設計電流環(huán)結構圖的簡化電流調節(jié)器結構、參數的選擇及其實現校驗近似條件電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數校驗近似條件校驗近似條件轉速調節(jié)器結構、參數的選擇及其實現

16、轉速環(huán)設計圖3.1.1b 電流環(huán)、轉速環(huán)設計框圖3.2 研究方案本文首先采用晶閘管可控整流器供電的v-m系統(tǒng)，通過調節(jié)控制電壓uc，從而移動觸發(fā)裝置gt輸出脈沖的相位，改整流器輸出的電壓ud進而調節(jié)電動機轉速。然后基于傳統(tǒng)的工程設計參數來處理雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，按照先內環(huán)后外環(huán)的一般原則，先設計電流環(huán)，然后將電流環(huán)當成是轉速環(huán)的一部分，設計轉速環(huán)。電流環(huán)設計成典型 i 型系統(tǒng)，轉速環(huán)設計成典型 ii型系統(tǒng)，然后按照設計要求分別得出acr，asr調節(jié)器的參數。最后利用matlab/simulink仿真工具對直流調速系統(tǒng)進行參數調試，觀察電動機電流和轉速響應情況進行靜態(tài)和動態(tài)分析。4. 實施計劃實

17、施進度安排：2010年3月4日2010年3月15日，完成相關文獻資料的閱讀；2010年3月16日2010年3月19日，完成文獻綜述撰寫；2010年3月20日2010年3月25日，完成英文文獻資料翻譯和開題報告撰寫；2010年3月26日2010年4月12日，分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2010年4月13日2010年5月3日，完成雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計2010年5月4日2010年5月24日，進行matlab仿真，得出仿真結果2010年5月25日2010年5月31日，畢業(yè)論文撰寫。參考文獻1 劉慶華，張為公，李忠國等編.電動汽車直流電機調速的模糊控制仿真研究j.成組技術與生產現代化,2006,23(3)

18、:35-37.2 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)m. 北京.機械工業(yè)出版社,2006.76-83.3 王立紅，楊匯軍等編.基于matlab直流調速系統(tǒng)設計與仿真j.遼寧工學院學報.2004,2,24(1):9-10.4 馬青主編.基于powersystem模塊的直流調速系統(tǒng)仿真研究j.計算技術與自動化. 2009(2).5 王祖亮，侯北平等編.基于simulink的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真研究j.浙江科技學院.2009,3,21(1):7-9.6 韓璐主編.直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)及其simulink的仿真j.船海工程. 2003（2）:30-33.7 孫江，齊向東等編.基于plc模

19、糊控制調速系統(tǒng)的研究j.華電技術.2009，8，31(8）:22-25.8 賈東耀,曾志剛等編.基于模糊控制的直流電機調速系統(tǒng)matlab仿真. j電機電器技術.2002(5):2-5.9 李彥紅，孔德峰等編.基于模糊控制的直流電動機調速系統(tǒng)仿真研究j.山東電力高等?？茖W校學報. 2008(1):69-71.10 程彪，孫曉明等編.基于基本型邏輯控制的調速系統(tǒng)仿真研究j.武漢理工大學學報信息與管理工程版.2003,8, 25(4):30-33.11 李發(fā)海，王巖等編.電機與拖動基礎（第3版）m.清華大學出版社.2005,5.48-49.12 姚建紅、戴琳、厲立國等編.基于matlab/simulink的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計j.佳木斯大學學報(自然科學報).2006,10，24(4):521-523.13 姬宣德，韓英，李廣宏等編. 基于matlab的直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計與仿真j.礦工機械.2005,33(9):87-89.14 王海英、袁麗英、吳勃等編著.控制系統(tǒng)的matlab仿真與設計m.高等教育出版社.2009,2:122-135.15 孫新柱，陳躍東等編