直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真(參考程序)

1、直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真一、開(kāi)環(huán)直流速系統(tǒng)的仿真開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖1所示。直流電動(dòng)機(jī)的電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器供電，通過(guò)改變觸發(fā)器移相控制信號(hào)調(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。圖1 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖圖2 直流開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型為了減小整流器諧波對(duì)同步信號(hào)的影響，宜設(shè)三相交流電源電感，直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源直接供電。觸發(fā)器（6-Pulse）的控制角（alpha_deg）由移相控制信號(hào)決定，移相特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為在本模型中取，所以。在直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入端用Step模塊設(shè)定加載時(shí)刻和加載

2、轉(zhuǎn)矩。仿真算例1 已知一臺(tái)四極直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為，。勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流。采用三相橋式整流電路，設(shè)整流器內(nèi)阻。平波電抗器。仿真該晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，觀察電動(dòng)機(jī)在全壓起動(dòng)和起動(dòng)后加額定負(fù)載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流及電樞電壓的變化情況。仿真步驟：1）繪制系統(tǒng)的仿真模型（圖2）。2）設(shè)置模塊參數(shù)（表1） 供電電源電壓 電動(dòng)機(jī)參數(shù) 勵(lì)磁電阻： 勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取“0”。 電樞電阻： 電樞電感由下式估算： 電樞繞組和勵(lì)磁繞組間的互感： 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩表1 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要模型參數(shù)模塊參數(shù)名參數(shù)三相電源（Three-Phase Source）Phase-to-

3、pahse rms voltage/V130*sqrt(3)Phase angle of phase A/degrees0Frequency/Hz50Internal connectionYgSource resistance/0.001Source inductance/H0直流電動(dòng)機(jī)（DC Machine）電樞電阻0.20電樞電感0.0021勵(lì)磁電阻146.7勵(lì)磁電感0電樞繞組與勵(lì)磁繞組間互感0.84轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.57平波電抗器（Inductance）電感0.023）設(shè)置仿真參數(shù)：仿真算法odel5s，仿真時(shí)間5.0s，直流電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，起動(dòng)2.5s后加額定負(fù)載。4）進(jìn)行仿真并觀察、分析結(jié)

4、果（圖3）。（可以用語(yǔ)句plot(tout,yout)進(jìn)行示波器的曲線處理。）圖3 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果二、轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖4所示，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR（放大器）、移相觸發(fā)器GT、晶閘管整流器UCR和直流電動(dòng)機(jī)M和測(cè)速發(fā)電機(jī)TG等組成。圖4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖圖5 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示，模型在圖2開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)速給定，轉(zhuǎn)速反饋n-feed、放大器Gain和反映放大器輸出限幅的飽和特性模塊Saturation，飽和限幅模塊的輸出是移相

5、觸發(fā)器的控制電壓，轉(zhuǎn)速反饋直接取自電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，沒(méi)有另加測(cè)速發(fā)電機(jī)，取轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。仿真算例2 在算例1的基礎(chǔ)上觀察轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)在不同放大器放大倍數(shù)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響。仿真步驟：1）繪制系統(tǒng)的仿真模型（圖5）。2）設(shè)置模塊參數(shù)（表2）。3）設(shè)置仿真參數(shù)：仿真算法odel5s，仿真時(shí)間1.5s，直流電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，起動(dòng)0.5s后加額定負(fù)載。4）進(jìn)行仿真并觀察、分析結(jié)果（圖6）：（用語(yǔ)句plot(tout1,yout1,tout2,yout2,tout3,yout3)進(jìn)行示波器的曲線處理。）表2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要模型參數(shù)模塊參數(shù)名參數(shù)三相電源（Three-Phase Source）同

6、表1直流電動(dòng)機(jī)（DC Machine）同表1平波電抗器（Inductance）電感0.02轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（n-feed）0.00667放大器（Gain）10（可調(diào)整）飽和限幅（Saturation）Upper limit10Lower limit-10圖6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果三、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖7所示，由于晶閘管整流器不能通過(guò)反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)。圖7 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真可以依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（圖8a）進(jìn)行，也可以用SIMULINK的Power Sys

7、tem模塊來(lái)組建。兩種仿真的不同在于主電路，前者晶閘管和電動(dòng)機(jī)用傳遞函數(shù)來(lái)表示，后者晶閘管和電動(dòng)機(jī)使用Power System模塊，而控制部分則是相同的。下面對(duì)這兩種方法分別進(jìn)行介紹。1. 基于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖8b所示，它與圖8a的不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。這是因?yàn)殡娏鳈z測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)可按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的

8、作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。同樣，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓信號(hào)含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。a)b)圖8 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真模型如圖9所示，仿真模型與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的各個(gè)環(huán)節(jié)基本上是對(duì)應(yīng)的。需要指出的是，雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和

9、和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的工作情況，需要構(gòu)建考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，過(guò)程如下：線性PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為式中，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，時(shí)間常數(shù)。上述PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用SIMULINK中的傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模塊，而考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器模型如圖10所示。模型中比例和積分環(huán)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積分模塊Integrate的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊Saturation設(shè)定。圖9 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖10 帶飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器仿真算例3 以算例1的晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)

10、計(jì)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速超調(diào)量，電流超調(diào)量，過(guò)載倍數(shù)，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)，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。額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定電壓。通過(guò)仿真觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)，以及參數(shù)變化（主要是調(diào)節(jié)器參數(shù)）對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。仿真步驟：1）構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型（圖9）。2）設(shè)置模塊參數(shù)（調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算和設(shè)定） 機(jī)電時(shí)間常數(shù)： 電磁時(shí)間常數(shù)： 三相晶閘管整流電路平均失控時(shí)間： 電流調(diào)節(jié)器ACR參數(shù)的計(jì)算*電流反饋系數(shù)：電流環(huán)時(shí)間常數(shù)之和ACR的傳遞函數(shù)為，其中時(shí)間常數(shù)比例系數(shù)積分系數(shù) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)的計(jì)算*轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù)之和。

11、ASR的傳遞函數(shù)為，其中時(shí)間常數(shù)比例系數(shù)積分系數(shù)（選擇中頻段寬度）模型各環(huán)節(jié)參數(shù)如圖9所示，其中調(diào)節(jié)器參數(shù)見(jiàn)表3，調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)限幅值為，調(diào)節(jié)器輸出限幅值為。表3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要模型參數(shù)模塊參數(shù)名參數(shù)三相電源（Three-Phase Source）同表1直流電動(dòng)機(jī)（DC Machine）同表1（電樞回路總電阻）平波電抗器（Inductance）電感0.02機(jī)電時(shí)間常數(shù)0.161電磁時(shí)間常數(shù)0.076UCR失控時(shí)間0.0017轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR），電流調(diào)節(jié)器（ACR），3）設(shè)置仿真參數(shù)：仿真算法odel5s，仿真時(shí)間2.0s，電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，起動(dòng)0.8s后突加額定負(fù)載 （）。4）

12、進(jìn)行仿真并觀察、分析結(jié)果（圖11）：a）b）圖11 基于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果2. 基于Power System模塊的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真采用SIMULINK的Power System模塊組成的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖12所示，模型由晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)組成的主電路和轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成的控制電路兩部分構(gòu)成。其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制和電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)使用Power System模型庫(kù)中的模塊。控制電路的主體是轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，以及反饋濾波環(huán)節(jié)，這部分與前述基于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真相同。將這兩部分拼接起來(lái)即組成晶閘管-電動(dòng)機(jī)

13、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均直接取自電機(jī)測(cè)量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，這樣減少了測(cè)速和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，但并不影響仿真的真實(shí)性。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出端接移相特性模塊（Shifter）的輸入端，而ACR的輸出限幅值就決定了控制角的（）和（）。圖12 基于Power System的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型應(yīng)該注意，圖12與圖9仿真模型的不同在于以晶閘管整流器和電動(dòng)機(jī)模型取代了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的晶閘管整流器和電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)，由于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的晶閘管整流器和電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)函數(shù)是線性的，其電流可以反向（如圖11b），因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程要快一些，而實(shí)際的晶閘管整流器不能通過(guò)反向電流，所以仿真的結(jié)果略有不同，采用晶