基于Matlab的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、基于Matlab的直流調(diào)速系統(tǒng) 作者： 日期：2 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途1緒論1。1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)概述從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類型,而各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。相比于交流調(diào)速系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟.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)。在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)，使電能可以變換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，樓宇、辦公、家庭自動(dòng)化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù),提高了生產(chǎn)效率和

2、人們的生活質(zhì)量，使人類社會(huì)生產(chǎn)、生活發(fā)生了巨大的變化。隨著新型電力電子器件的研究和開發(fā)以及先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子和電力拖動(dòng)控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高,這種變化的影響將越來越大。1.2 MATLAB簡(jiǎn)介在1980年前后，美國(guó)的Cleve博士在New Mexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級(jí)語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了Matlab（MATrix LABoratory，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)過在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后,于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。MATLABSGI由美國(guó)MathWorks公司

3、開發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件中,包括了兩大部分:數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件支持幾乎遍布各個(gè)工程領(lǐng)域。通過對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測(cè)速電機(jī)等模塊的理論分析，比較開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型.然后用此理論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進(jìn)行正確性的驗(yàn)證.2控制直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介2。1 V-M系統(tǒng)簡(jiǎn)介晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)）,其簡(jiǎn)單原理圖如圖2。1.圖中VT是晶閘管的可控整流器,它可以是單相、三相或

4、更多相數(shù),半波、全波、半控、全控等類型.優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速.缺點(diǎn):1由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向,給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。2元件對(duì)過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件.因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)有足夠的余量。圖2.1 V-M系統(tǒng)2。2轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速.2、靜差率 當(dāng)系

5、統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，靜差率用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬,靜差率越小,轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。 調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的必須同時(shí)提才有意義。脫離了對(duì)靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍;反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。3、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為,則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差，即于是，而調(diào)速范圍為上式即為調(diào)速范圍、靜差和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系.對(duì)于

6、一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的,如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán),也就是s越小,系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。2.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖2.2所示。圖2。2采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1、忽略各種非線性因素,假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都是線性的；2、假定只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段;3、忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻.電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：晶閘管整流與觸發(fā)裝置：VM系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性：測(cè)速發(fā)電機(jī):放大器的電壓放大系數(shù)；晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；測(cè)速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r；因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)

7、.靜特性：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.3所示： 圖2。3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4反饋控制規(guī)律從上面分析可以看出,閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，K越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣。總之K越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而,只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小,但不能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為只有K=才能使，而這是不可能的。2。5主要部件1、比例放大器 運(yùn)算放大器用作比例放大器（也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器），如圖2。4，為放大器的輸入

8、和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響 放大系數(shù)為 圖2。4 P調(diào)節(jié)器原理圖 圖2.5 P調(diào)節(jié)器輸出特性 2、比例積分放大器在定性分析控制系統(tǒng)的性能時(shí)，通常將伯德圖分成高、中、低三個(gè)頻段，頻段的界限是大致的.圖2.6為一種典型伯德圖的對(duì)數(shù)幅頻特性.一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對(duì)快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)器。采用運(yùn)算放大器的PI調(diào)節(jié)器如圖2.7。 圖2。6典型控制系統(tǒng)的伯德圖 圖2.7 比例積分（PI)調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng)；-PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。此傳遞函數(shù)也可以寫成如下的形式式中-PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。反映系統(tǒng)性能的伯德圖特征有以下

9、四個(gè)方面：1。中頻段以 20dB/dec的斜率穿越零分貝線,而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好;2。截止頻率越高,則系統(tǒng)的快速性越好；3。頻段的斜率陡、增益高,表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好（即靜差率小，調(diào)速范圍寬）；4.頻段衰減得越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力越強(qiáng).用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)是相角裕度和以分貝表示的幅值裕度Lg.穩(wěn)定裕度能間接的反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性,穩(wěn)定裕度大意味著振蕩弱、超調(diào)小。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下,PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性如圖2.8： 圖2.8 階躍輸入時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸出特性 圖2.9 PI校正裝置在原始系統(tǒng)上 添加部分的對(duì)

10、數(shù)幅頻特性 將P調(diào)節(jié)器換成PI調(diào)節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為其對(duì)數(shù)幅頻特性如圖2.9所示。 由圖2.8可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時(shí)，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用.但是小于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù)的，因?yàn)榭焖傩员粔旱土耍瑩Q來穩(wěn)定性的保證。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求；作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)（主電路，假定電流連續(xù))（額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))（額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩)定義下列時(shí)間常數(shù)：得電壓與電流間的傳遞函數(shù)為電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為2.6穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1、比例控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾

11、誤差 采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2。11。當(dāng)時(shí)，只擾動(dòng)輸入量，這時(shí)的輸出量即為負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差n，可將動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖改畫的形式如圖2.12。圖2。10采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差 圖2.11 給定為0時(shí)采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的一般情況 閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差：這和靜特性分析的結(jié)果是完全一致的.2、積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差將圖2。11比例調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器如圖2。12突加負(fù)載時(shí)，于是負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差為 可見,積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的.3、比例積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差用比例積分調(diào)節(jié)器控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2.13.

12、圖2。12 給定為0時(shí)采用積分調(diào)節(jié)器圖 圖2.13 給定為0時(shí)采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)圖則穩(wěn)態(tài)速差為因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。4、穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系上述分析表明,就穩(wěn)態(tài)抗擾性能來說，比例控制系統(tǒng)有靜差，而積分控制和比例積分控制系統(tǒng)都沒有靜差。顯然，只要調(diào)節(jié)器中有積分成份，系統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)，則外擾動(dòng)便不會(huì)引起穩(wěn)態(tài)誤差。3調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真3.1參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算1、參數(shù)給出(1）.電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V,52A，1460r/min,電樞電阻=0.5，飛輪力矩GD2

13、=10Nm2. (2）。晶閘管裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次電壓=230V,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)=40.（3）。V-M系統(tǒng)主電路總電阻R=1.0（4)。測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，ZYS231/110型;額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V,0.18A,1800r/min。（5）。生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率s5.2、參數(shù)計(jì)算根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計(jì)算參數(shù)如下:(1）。為了滿足D=10,s5,額定負(fù)載時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為(2）.根據(jù)，求出系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)式中 (3）.計(jì)算測(cè)速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和參數(shù) 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為

14、最好，測(cè)速反饋系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比和電位器的分壓系數(shù),即=根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，試取，如測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速成1460r/min下，反饋電壓為相應(yīng)的最大給定電壓約需用18V。若直流穩(wěn)壓電源為±20V，可以滿足需要,因此所取的值是合適的.于是，測(cè)速反饋系數(shù)為電位器的選擇方法如下：考慮測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí),其電流約為額定值的確20%,這樣，測(cè)速機(jī)電樞壓降對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線性度影響較小，于是此時(shí)所消耗的功率為為了使電位器溫度不是很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故選為10W，3k的可調(diào)電位器。4.計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)實(shí)取按運(yùn)算放大器參數(shù)，

15、取則 5.反饋電壓3。2有靜差調(diào)速系統(tǒng)1、有靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖2.3),選擇仿真模塊:使用constant模塊作為轉(zhuǎn)速給定電壓，ramp模塊作為負(fù)載擾動(dòng),并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊,sum模塊作為信號(hào)綜合點(diǎn),最后加上示波器。由此建立有靜差調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真圖3.1 有靜差調(diào)速系統(tǒng)2、主要元件的參數(shù)設(shè)置(1).轉(zhuǎn)速給定電壓由于觸發(fā)裝置GT的控制電壓是由給定電壓和反饋電壓的差經(jīng)過放大器后產(chǎn)生的，所以二者的差不會(huì)很大，于是取，即常量值（constant value）設(shè)為18。采用斜坡函數(shù),并加

16、上staturation模塊作為限幅.在電路圖的Simulink 菜單選項(xiàng)中，選擇Simulintion Parameter 中。對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：Start time:0。1; stop time:2。03、仿真結(jié)果及分析1。Kp的值不同時(shí)其輸出特性如圖3.2所示，a)為,b）為。 圖3.2有靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性 左轉(zhuǎn)速 右負(fù)載電流圖中轉(zhuǎn)速為1449。75r/min，隨著負(fù)載電流的增加，轉(zhuǎn)速有所下降,在0.63s時(shí)，電流達(dá)到額定值52A,這時(shí)的轉(zhuǎn)速降為1442。5r/min，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降為n=1449.75r/min-1442.5r/min=7。25r/min。圖中為時(shí)系統(tǒng)的特性,從

17、轉(zhuǎn)速曲線可以看到，隨著放大倍數(shù)的增加,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降減小,靜特性的硬度增加,抗負(fù)載能力提高.（2)。不同給定值下系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)特性，如圖3.3。為,轉(zhuǎn)速降為n=1449。75r/min1442.5r/min=7.25r/min。為,轉(zhuǎn)速降為n=1433.75-1426.25r/min=7。6r/min.通過對(duì)比可以得出，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有很好的跟隨特性。 圖3.3 有靜差調(diào)速系統(tǒng)不同給定作用時(shí)的穩(wěn)態(tài)輸出特性4、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的判斷按保證最小電流時(shí)電流連續(xù)的條件計(jì)算電樞回路電感量，由于取L=18mH=0。018H計(jì)算系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)：電力拖動(dòng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) 失控時(shí)間常數(shù) 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有代入具

18、體數(shù)值并計(jì)算后得K124。5，滿足K>60.1,穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性在這里不矛盾。4?？偨Y(jié) 電流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，并且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟,是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而且MATLAB軟件對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行虛擬環(huán)境下的仿真研究，不僅使用方便,也大大降低了研究成本.在對(duì)調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域，如果直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不滿足要求，可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可利用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。通過對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測(cè)速電機(jī)等模塊的理論分析,比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型.參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20082 馮信康，楊興瑤。 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)原理與應(yīng)用. 北京：水利水電出版社，19853 周德澤。 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19894 林瑞光. 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ). 杭州：浙江大學(xué)出版社，20075 閻治安，崔新藝，蘇少平。 電機(jī)學(xué)。 西安：西安交通大學(xué)出版社，20066 孫亮，楊鵬. 自動(dòng)控制原理. 北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，20067 王兆安，