直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真(課程設(shè)計(jì)作業(yè))

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)班級(jí)電信2014姓名張慶迎學(xué)號(hào)142081100079摘要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，表明

2、所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用SIMULINK進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真，同時(shí)查看仿真波形，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。關(guān)鍵詞直流電機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)系統(tǒng)AbstractDCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrivebecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandDCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdriveb

3、ecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandsmoothcontrolinawiderange,besidesitscontrolperformanceisexcellent.BeginningwiththetheoryofDCmotor,thisdissertationbuiltsupthemathematicmodelofDCspeedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,detailedlydiscussesthestaticanddynamicstateperformanceofthesystem.Afterwa

4、rd,accordingtoautomationtheroythispaparcalculatestheparametersofthesystem.Then,thisdissertationsimulatesandanalyzesthesystembymeansofSimulink.Theresultsofsimulationareconsistentwiththeorycalculation.Someexperiencewasacquiredthroughsimulation.Basedonthetheoryandsimulation,thisdissertationdesignsaDCsp

5、eedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,discussestherealizationofmaincircuit,feedbackcircuit,controlcircuitandtriggercircuit.Theresultsofexperimentshowthatthestaticanddynamicstateperformanceofthissystemaregood,whichindicatethatthedesigncanmeettherequirements.Computer-aidedanalysisanddesignarecarriedou

6、tforspeed-controllingsystemofthed-cmotorbybyusingTOOLBOXandSIMULINK.KeywordsDCmotor,DCgoverningsystem,speedgovernor,currentgovernor,doubleloopcontrolsystem,simulink一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（電壓）低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào)，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài)，速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定

7、值送入電流調(diào)節(jié)器，此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào),直流電壓迅速上升，電流也隨即增大直到等于最大給定值，電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流（堵轉(zhuǎn)電流）可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后，速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖11所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電

8、子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖11轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR-電流調(diào)節(jié)器TG-測速發(fā)電機(jī)TA-電流互感器UPE-電力電子變換器S?,一轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓5=電流給定電壓5-電流反饋電壓3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性圖12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和一輸出達(dá)到限幅值，不飽和一輸出未達(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，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，

9、換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)二PI的作用使輸入偏差電壓AU在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時(shí):轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用，但負(fù)載電流達(dá)到時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí):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(dòng)保護(hù).這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的

10、靜差，見圖13中虛線。nA0IdnId圖13雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓UaO的關(guān)系為:U“0=AU2cosa=AU2cos(KU)其中：A-整流器系數(shù)；u2-一整流器輸入交流電壓；。-一整流器觸發(fā)角；上一觸發(fā)器移項(xiàng)控制電壓；K觸發(fā)器移項(xiàng)控制斜率；整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K=o繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖14雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及步驟1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一

11、般原則：概念清楚、易懂；計(jì)算公式簡明、好記；不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計(jì)算公式;適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。參數(shù)：Cj士但220-136x0.21460=0.132VL_15x10一斤0.5=0.03,GD?R22.5x0.53375CC”375x0.132x30,/x0.132130G=xCL26乃2、電流環(huán)設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：T,=0.0017$。電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)：&=0.002$電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和：7；=0.00375（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：7.5%,保證穩(wěn)態(tài)電流無

12、差，可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都可接受。所以電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：%=打。+1）（3）選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：r,=7；=0.035電流反饋系數(shù)夕：夕=1.35電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)5K5%,取長（=0.5,因此K/=135.1所以K,=1.013,o因此I513x（OO3+D=37.87a0.03（4）校驗(yàn)近似條件（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻r=400,各電阻和電容值計(jì)算如下:K=KA=4O.5KQG=9=0.75uFC,“=0.2uF按上述參數(shù)，查表知5%,電流環(huán)可

13、達(dá)到動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)：3、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：=27；=0.00745K/轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：7；,=0.015轉(zhuǎn)速換小時(shí)間常數(shù)：7；,=0.01745（2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要H由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型H型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：%=儲(chǔ)，+。（3） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：r=/7；,=0.0875轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：K，v=L=396.42h2T2n轉(zhuǎn)

14、速反饋系數(shù)：6Z=0.007于是求的ASR的比例系數(shù)為：K“=1L7因此：里評(píng)(4)檢驗(yàn)近似條件（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電容和電阻調(diào)節(jié)器輸入電阻凡=400,則R.二儲(chǔ)居）=468KQC=0.185R”C=生=1R。三、Matlab和Simulink簡介1、Matlab簡介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高

15、科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。2、Simulink簡介（1）簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)

16、、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulinko（2）功能Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方

17、塊圖的圖形用戶接口（GUI）,這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink®是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB®緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來

18、進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。（3）特點(diǎn)豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫。交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖。以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。通過ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。使用EmbeddedMATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。四、Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析1、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型:開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真

19、結(jié)果:QScope4SIDIIPPPABHIQa-i3500300025002000150010005000分析：轉(zhuǎn)速只能通過給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法通過實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行必要的調(diào)門，抗擾作用很弱不能通過自身調(diào)缶達(dá)到給定值。2,單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果:多圖A醯睛露回公車1600140012001000800600400200000.81.82轉(zhuǎn)速HScopes150010005000-50000.8112141.61.82P5rsmeters臺(tái)圖|Q04遇庭施eiak電流分析：圖中是的仿真圖形，減小，超調(diào)量隨著減小，但靜差越大；增大，靜差隨著減小，但還是