雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)： 10自動(dòng)化1學(xué)號(hào): 20100710132學(xué)生姓名：吳杰指導(dǎo)教師：張貞艷起訖日期：Graduation Design (Thesis)Design and Simulation of Double Loop DC Motor Control SystemByWu JieSupervised byAssociate Prof. Zhang zhenyanDepartment of AutomationEngineeringNanjing Institute of TechnologyMay, 2014摘 要為了提高運(yùn)

2、動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效率，本文介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法1，利用 MATLAB軟件，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真的研究。所給出的仿真方法，可以靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)，從而獲得理想的設(shè)計(jì)結(jié)果，并對(duì)設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)進(jìn)行分析。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是:1） 概念清楚、易懂。2） 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記。3） 不僅給出參數(shù)計(jì)算公式，而且指明參數(shù)調(diào)節(jié)方向。4） 能考慮飽和非線性控制的情況，同時(shí)給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公式。5） 適合于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)2。由于這個(gè)課題相對(duì)簡(jiǎn)單，我在里面加入了相關(guān)性的內(nèi)容以豐富本課題的廣度和深度。在本設(shè)計(jì)中，我加入了三種簡(jiǎn)單的單閉環(huán)直流調(diào)速

3、系統(tǒng)，并且通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行仿真分析，比較找出了它們的不足之處，從而更明顯地體現(xiàn)了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性。并且通過(guò)對(duì)兩種典型的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而更好地理解和運(yùn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；雙閉環(huán)調(diào)速；MATLAB；仿真；直流調(diào)速系統(tǒng)；直流脈寬調(diào)制；工程設(shè)計(jì)方法ABSTRACTIn order to raise application efficiency of the motion control system in actual project ,thisarticle discussed the engineering design methods of t

4、he speed-governing system of DC motor. Themathematical modeling and system simulation of direct current governor system are researched bymeans of MATLAB platform . The simulation method can adjust the system controller parametersflexibly, so as to achieve the ideal design results, and the design of

5、the system are analyzed.A controller design method is the principles of:（1）The concept of clear, easy to understand.（2）Simple formula, easy to remember.（3）Not only gives the parameter calculation formula, and indicates the parameter adjustment direction.（4）Can consider the saturation nonlinear contr

6、ol, and gives a simple formula.（5）Suitable for all kinds of feedback control systems can be simplified into a typical system.Because this subject is relatively simple, I joined the correlation content inside to enrich the breadth and depth of the subject. In this design, I added three simple single

7、loop DC speed regulation system, and then analyze them, compared to find their deficiencies, and thus more clearly showed the superiority of double closed loop DC speed regulating system. And through the simulation analysis of two kinds of typical double loop DC speed control system, so as to better

8、 understand and use the double loop DC speed control system.Keywords: DC motor, double closed loop，MATLAB，Simulation，V-M，PWM-M，The engineering design method目 錄摘要IABSTRACTII第一章 緒論11.1 課題研究背景11.2 直流調(diào)速系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的意義21.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容2第二章 仿真軟件以及相關(guān)硬件簡(jiǎn)介3MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)32.2 仿真的數(shù)值算法32.3 工程設(shè)計(jì)法4

9、2.4 直流電動(dòng)機(jī)4第三章 簡(jiǎn)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真5單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真5單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真113.3 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真133.4 簡(jiǎn)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較15第四章轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真174.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真17 V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真194.3 PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真26第五章 總結(jié)與展望34致謝 35參考文獻(xiàn)36第一章 緒 論1.1 課題研究背景在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)

10、態(tài)性能4。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等良好的動(dòng)態(tài)性能，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求。 因此，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)5。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng), 因其具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性和抗擾性能以及廣范圍內(nèi)的平滑調(diào)速性能, 特別適合應(yīng)用到龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)、造紙、印染設(shè)備及其他直流調(diào)速等領(lǐng)域6。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1.國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)從七十年代開(kāi)始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效

11、、無(wú)噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過(guò)流保護(hù)電路等。給定信號(hào)為010V直流信號(hào)，可對(duì)主電路輸出電壓進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果7。晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流控制的基礎(chǔ)8。在我們國(guó)內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展

12、時(shí)期，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但是目前的趨勢(shì)仍是追趕著發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。1.2.2.國(guó)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置直流調(diào)速已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、良好的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛的應(yīng)用9。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用的先進(jìn)電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類儀器儀表，機(jī)械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

13、的總的發(fā)展趨勢(shì)也向著控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。1.3 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的意義1.3.1.根據(jù)MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定性好、精度高等許多優(yōu)點(diǎn)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用10。采用該系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。此系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)11。1.3.2.通過(guò)比較單閉環(huán)有、無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而得到它們各自的不足之處，從而突出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性以及必要性

14、。對(duì)雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)和雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)這兩種典型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的仿真分析，幫助我們更好的了解和應(yīng)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。1.3.4.對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場(chǎng)合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。1.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容1.4.1.簡(jiǎn)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，其中包括單閉環(huán)有、無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)以及

15、帶電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。通過(guò)比較它們的仿真分析結(jié)果，得出它們的不足之處，從而引出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。1.4.2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，其中包括建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的方框圖以及仿真模型。并且通過(guò)仿真分析結(jié)果，與簡(jiǎn)單的閉環(huán)調(diào)速仿真分析進(jìn)行比較，從而得出雙閉環(huán)直流調(diào)速優(yōu)越性。1.4.3.雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)果分析等。1.4.4.閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)構(gòu)分析等。第二章 仿真軟件以及相關(guān)硬件

16、簡(jiǎn)介2.1 MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”(Matrix Laboratory)的縮寫(xiě)，這是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。它由于使用方便，輸入便捷，運(yùn)算高效，適應(yīng)科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴(kuò)展的空間，特別受到用戶的歡迎。從而使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國(guó)內(nèi)外高校教學(xué)和科學(xué)研究的常用軟件。MATLAB提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink可以有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，而且仿真過(guò)程是交互的，可以隨意地改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的仿真結(jié)果。另外使用MATLAB中的各種分析工具，還能對(duì)仿真結(jié)

17、果進(jìn)行分析以及可視化。Simulink仿真平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：（1） 系統(tǒng)仿真模型（即框圖）完成后，設(shè)置了仿真參數(shù)，即可啟動(dòng)仿真。仿真開(kāi)始時(shí)，軟件首先自動(dòng)進(jìn)行被仿真電路和系統(tǒng)的初始化過(guò)程，將系統(tǒng)的框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學(xué)方程，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并計(jì)算系統(tǒng)在給定激勵(lì)下的響應(yīng)。（2） 系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過(guò)波形和曲線觀察，這和實(shí)驗(yàn)室中用示波器觀察的效果幾乎是一致的。（3） 以框圖形式仿真控制系統(tǒng)是Simulink的最早功能，后來(lái)在Simulink的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、模糊控制等數(shù)十種模型庫(kù)，但是Simulink的窗口界面是各種模型庫(kù)共用的平臺(tái)，在這平臺(tái)上可以控制系統(tǒng)、電

18、力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的仿真12。2.2 仿真的數(shù)值算法仿真的數(shù)值算法有很多種，其中包括Ode23，Ode15s，Ode45，Ode113，Ode23s，Ode23t，Ode23tb等，而我在接下來(lái)的仿真軟件件主要運(yùn)用到的是Ode45和Ode23tb這兩種，下面我將對(duì)其進(jìn)行大致的介紹。Ode45 (Dormand-Prince)基于顯式Rung-Kutla(4,5)和Dormand- Prince組合的算法，它是一種一步解法，即只要知道前一時(shí)間點(diǎn)的解y(tn-1)，就可以立即計(jì)算當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的方程解y(tn)。對(duì)大多數(shù)仿真模型來(lái)說(shuō)，首先使用ode45來(lái)解算模型是最佳的選擇，所以在SIMULI

19、NK 的算法選擇中將ode45設(shè)為默認(rèn)的算法。Ode23tb（stiff/TR-BDF2)采用TR-BDF2算法，即在龍格-庫(kù)塔法的第一階段用用梯形法，第二階段用二階的backward differentiation formulas算法，在容差比較大時(shí)，ode23tb和ode23t都比ode15s好13。2.3 工程設(shè)計(jì)法作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問(wèn)題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程分為兩步:第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。這樣做，就把穩(wěn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾問(wèn)題分為兩步

20、來(lái)解決，第一步先解決主要矛盾，即動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后第二步再進(jìn)一步滿足其他動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。2.4 直流電動(dòng)機(jī)在即將進(jìn)行的仿真設(shè)計(jì)中，直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)不可或缺的部分。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在寬范圍內(nèi)進(jìn)行平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。并且它在軌鋼機(jī)、金屬切割機(jī)床、高層電梯、鐵路機(jī)車、造紙機(jī)、礦井卷場(chǎng)機(jī)、挖掘機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。在目前知道的范圍內(nèi)，可控直流電源電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、開(kāi)環(huán)直流調(diào)速、單閉環(huán)直流調(diào)速、雙閉環(huán)直流調(diào)速以及直流脈寬PWM-M等調(diào)速系統(tǒng)的仿真14。直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維修困難，需備有

21、直流電源才能使用。但因直流電動(dòng)機(jī)具有較高的過(guò)載能力、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的啟動(dòng)、制動(dòng)、平滑的調(diào)速性能，可以在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，能在很短的時(shí)間里改變轉(zhuǎn)向，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式15。轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，且設(shè)計(jì)較為方便的特點(diǎn)，是應(yīng)用非常廣泛的一種直流調(diào)速系統(tǒng)16。第3章 簡(jiǎn)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真3.1 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、三相整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋等環(huán)節(jié)組成。如圖3.1是單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型17。其中的

22、Subsystem模塊如圖3.2所示。圖3.1 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖3.2 Subsystem模塊.主電路的建模和參數(shù)設(shè)置三相對(duì)稱電壓源建模和參數(shù)設(shè)置。提取交流電壓源模塊AC Voltage Source（路徑為SimPower Systems/Electrical Source/AC Voltage Source）,再用復(fù)制的方法得到三相電源的另外兩個(gè)電源模塊，并把模塊標(biāo)簽分別改為“A”、“B”、“C”，從路徑SimPower Systems/Elements/Ground取接地元件Ground，按圖1主電路圖進(jìn)行連接。三相對(duì)稱電壓源參數(shù)設(shè)置。雙擊三相交流電壓源圖標(biāo)，打

23、開(kāi)電壓源參數(shù)對(duì)話框，A相交流電壓源參數(shù)設(shè)置：峰值電壓為220V，初相位為0°，頻率為50Hz，其他默認(rèn)值如圖3.3所示。B相和C相交流電壓源設(shè)置參數(shù)方法：參數(shù)設(shè)置除了相位相差120°外，其他參數(shù)與A相相同，注意B相的初始相位為240°，C相的初始相位為120°，由此可以得到三相對(duì)稱交流電源。圖3.3AC Voltage Source模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框晶閘管整流橋的建模和主要參數(shù)設(shè)置。取晶閘管整流橋Universal Bridge的路徑為SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge，并將模塊標(biāo)簽改為

24、“三相整流橋”然后雙擊模塊圖標(biāo)打開(kāi)整流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖3.4，當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取3，電力電子元件選擇晶閘管，其他參數(shù)設(shè)置原則：如果針對(duì)某個(gè)具體交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)話框中應(yīng)該取該調(diào)速系統(tǒng)中晶閘管元件的實(shí)際值。如果不是針對(duì)某個(gè)具體調(diào)速系統(tǒng)的仿真，可以取默認(rèn)值進(jìn)行仿真，如果仿真結(jié)果不理想，就要適當(dāng)調(diào)整各模塊參數(shù)。平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置。提取電抗器元件RLC Branch，路徑為SimPower/Elements/RLC Branch，由于無(wú)單個(gè)電感元件，通過(guò)參數(shù)設(shè)置改為純電感元件，其電抗為1e-3，即電抗值為0.001H。參數(shù)設(shè)置如圖3.5。圖3.4 三相整流橋參數(shù)設(shè)

25、置對(duì)話框直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置。提取直流電動(dòng)機(jī)模塊DC Machine的路徑為SimPower Systems/Machines/DC machine，將模塊標(biāo)簽改為直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組接直流電源DC Voltage Source，雙擊此圖標(biāo)。打開(kāi)參數(shù)設(shè)置框，電壓參數(shù)設(shè)為220V。電樞繞組經(jīng)平波電抗器同三相整流橋連接。電動(dòng)機(jī)TL端口接負(fù)載轉(zhuǎn)矩。用變量Step表示，其提取路徑為Simulink/Sources/Step,參數(shù)設(shè)置如圖3.6，可以看出開(kāi)始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50，在2s后負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)?00，負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊標(biāo)簽改為“TL”。直流電動(dòng)機(jī)輸出m口有4個(gè)合成信號(hào)，用模塊Demux（路徑為

26、Simulink/Signal Routing/Demux）把這4個(gè)信號(hào)分開(kāi)。雙擊此模塊，把參數(shù)設(shè)置為4，表明有4個(gè)輸出，從上到下依次是電機(jī)的角速度，電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。仿真結(jié)果可以通過(guò)示波器顯示，也可以通過(guò)OUT端口顯示。圖3.5 平波電抗器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖3.6 負(fù)載轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置：雙擊電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)，打開(kāi)電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)話框，如圖3.7所示，其參數(shù)設(shè)置原則與晶閘管整流橋相同。同步脈沖發(fā)生器的建模和參數(shù)設(shè)置。同步6脈沖Synchronized 6-Pluse Generator提取路徑為SimPower Systems/Extra Library/Control Bloc

27、ks/Synchronized 6-Pluse Generator,標(biāo)簽改為“同步6脈沖觸發(fā)器”其有5個(gè)端口，同alphadeg連接的端口為導(dǎo)通角，同Block連接的端口是觸發(fā)器開(kāi)關(guān)信號(hào)，當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)為“0”時(shí)，開(kāi)放觸發(fā)器;當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)為“1”時(shí)，封鎖觸發(fā)器，故取模塊Constant（提取路徑為Simulink/Source/Constant）同Block端口連接，把參數(shù)改為“0”，開(kāi)放觸發(fā)器，同步6脈沖參數(shù)設(shè)置如圖所示，把同步頻率改為50Hz。由于同步6脈沖發(fā)生器需要三相線電壓，故取電壓測(cè)量模塊Voltage Measurement。圖3.7 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖3.8 同步6脈沖觸發(fā)器參

28、數(shù)設(shè)置3.1.2.控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的控制電路由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、速度反饋等環(huán)節(jié)組成。根據(jù)仿真需要，另加限幅器Saturation、比較環(huán)節(jié)模塊Sum等。給定信號(hào)模塊就是Constant模塊，參數(shù)設(shè)置為10，它的物理量是給定電壓信號(hào)，把此模塊標(biāo)簽為“給定電壓信號(hào)”。比較環(huán)節(jié)模塊Sum提取路徑為Simulink/Math Operations/Sum，將默認(rèn)參數(shù)“+”改為“+-”。比例調(diào)節(jié)器模塊就是放大模塊Gain，把參數(shù)設(shè)為1，即放大系數(shù)為1.從上面分析可知，同步6脈沖觸發(fā)裝置的輸入信號(hào)是導(dǎo)通角，整流橋處于整流狀態(tài)時(shí)導(dǎo)通角范圍為0°a90

29、76;，由于速度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的數(shù)值可能大于90，故需加限幅器Saturation，提取路徑為Simulink/Discontinuities/Saturation,其參數(shù)設(shè)置上下限幅為10和-10。Constant參數(shù)設(shè)置為90，Gain參數(shù)設(shè)置為9。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)模塊就是Gain模塊，參數(shù)設(shè)置為0.01，也即表示反饋系數(shù)為0.01。3.1.3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置仿真中選擇的算法為ode23tb，Start設(shè)為0，Stop設(shè)為5s。3.1.4.仿真結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)定后，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真。仿真圖形如圖3.9所示。圖3.9單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線圖從仿真結(jié)果可以輕易地看出來(lái)，在比例調(diào)節(jié)

30、器的作用下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，在2s的時(shí)候，轉(zhuǎn)矩由50變?yōu)?00時(shí)，系統(tǒng)快速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速很快上升到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)值。3.2 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、三相整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋等環(huán)節(jié)組成。如圖3-10是單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。3.2.1.如圖3.10，單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速和單閉環(huán)有靜差調(diào)速建模大部分相同，只是把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器換成了PI調(diào)節(jié)器。由于PI調(diào)節(jié)器本身帶輸出限幅值，故不再需要限幅模塊，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置如圖3.11。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為0.01。3.2.2.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)

31、置仿真中選擇的算法為ode23tb，Start設(shè)為0，Stop設(shè)為5s。3.2.3.仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果如圖3.12所示。圖3.10 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖3.11 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置圖3.12 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真曲線從仿真結(jié)果可以看出來(lái)，當(dāng)負(fù)載在2s后轉(zhuǎn)矩由50變?yōu)?00時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使得轉(zhuǎn)矩再次恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，和單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的仿真結(jié)果比較，我們可以看出，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比比例調(diào)節(jié)器的要慢。但是，它實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)如圖3.13由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、同步6脈沖觸發(fā)器、三相整流橋、平波電抗器

32、、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋等環(huán)節(jié)組成。 3.3.1.電流截止環(huán)節(jié)建模電壓比較模塊就是Sum模塊，電流比較模塊Switch提取路徑為Simulink/Signal Routing/Switch，雙擊這個(gè)模塊我們可以看到一個(gè)參數(shù)設(shè)置框，如圖3.14所示。圖3.13 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的仿真模型7圖3.14電流比較環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置3.3.2.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置仿真中選擇的算法為ode23tb，Start設(shè)為0，Stop設(shè)為5s。3.3.3.仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果如圖3.15所示。圖3.15 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的仿真曲線如圖3.15所示的單閉環(huán)帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲

33、線，可以從圖總看出始終小于120A。由于限制了起動(dòng)電流，同單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速反反饋圖3-11相比較我們可以得出，該系統(tǒng)使得電動(dòng)機(jī)經(jīng)稍微長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間使得轉(zhuǎn)速才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。3.4 簡(jiǎn)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較通過(guò)以上三種簡(jiǎn)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析，可以看出來(lái)在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)中存在一個(gè)問(wèn)題，在起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電樞電流會(huì)過(guò)大。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。通過(guò)對(duì)電流負(fù)反饋和

34、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析?？紤]到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減，采用電流截止負(fù)反饋的方法，則當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。如果從運(yùn)動(dòng)控制的角度來(lái)討論直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)前面設(shè)計(jì)的直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是不夠完美的。要實(shí)現(xiàn)精度高和動(dòng)態(tài)性能高的控制，不僅要求控制速度，同時(shí)還要控制速度的變化率也就是加速度。由直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，而轉(zhuǎn)矩又和電動(dòng)機(jī)的電流成正比。因此需要同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度和電流進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性性能的直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)，必須研究轉(zhuǎn)

35、速、電流雙閉環(huán)的直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)。第四章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真4.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真4.1.1.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)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18，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，如圖4.1。這就是說(shuō)，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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)19。圖4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖4.1.2.系統(tǒng)仿真模型轉(zhuǎn)速、電流雙閉

36、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖4.2。由模型看出，給定信號(hào)與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號(hào)比較后經(jīng)速度限幅后，作為電流環(huán)的給定信號(hào)控制電流環(huán)。速度限幅輸出后，再與電流負(fù)反饋信號(hào)比較后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器與電流限幅后，經(jīng)偏置與反向等處理后去控制六脈沖發(fā)生器。4.1.3.仿真模塊參數(shù)設(shè)置設(shè)置仿真參數(shù)，仿真時(shí)間設(shè)為5s，仿真算法采用Ode23tb。拖動(dòng)恒定負(fù)載（40N·m）。濾波電感L設(shè)置為9mH。交流電源Ua 、Ub、Uc參數(shù)”P(pán)eak amplitude”,設(shè)置為220；參數(shù)“Frequency”，設(shè)置為50（Hz）；Ua 、Ub、Uc三相電壓的相角對(duì)稱。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為/3，速度限幅模塊的上限為65，下限為-65

37、。電流反饋系數(shù)為0.1，電流限幅模塊的上限為150，下限為-150。圖4.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型4.1.4.仿真模型及仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真，仿真波形如圖4.3。圖中波形自上而下為6脈沖發(fā)生器的輸出（觸發(fā))信號(hào)Ug、電機(jī)轉(zhuǎn)速n，電樞電流Ia與電磁轉(zhuǎn)矩Te。由圖可知，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有理想的快速啟動(dòng)過(guò)程：電機(jī)轉(zhuǎn)速n以恒定的加速度呈直線上升，此時(shí)的電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩保持最大的恒定值，幾乎呈填充系數(shù)極高的方形波，這就是時(shí)間的最優(yōu)控制。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)給定信號(hào)為10V時(shí)。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電流調(diào)節(jié)器作用下的電動(dòng)機(jī)電樞電流接近最大值，使得電動(dòng)機(jī)以最有時(shí)間準(zhǔn)則

38、開(kāi)始上升，在1.25s左右時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)，電流很快下降，在2.5s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速為1000r/min，整個(gè)變化曲線同實(shí)際情況非常相似。圖4.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真曲線因此，我們可以看出雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使其輸出增加，即電流給定值上升，從而通過(guò)電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，使電動(dòng)機(jī)電流增加、電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定值減小，并且通過(guò)電

39、流環(huán)的調(diào)節(jié)，是電動(dòng)機(jī)電流下降，電動(dòng)機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩減小而減速。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和、輸出達(dá)到限幅值時(shí)，電流環(huán)即以最大電流運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)將以可能的最大加速度加速，使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速起、制動(dòng)。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，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)。4.2 V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又簡(jiǎn)稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變量裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出比較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍

40、數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用電子控制，不再像直流電動(dòng)機(jī)那樣需要較大功率的放大器，在控制作用的快速性上，交流機(jī)組是妙級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。4.2.（1）給定條件已知直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為：UN=220V，IN=136A,1460r/min;4極；Ra；GD2=22Nm2，勵(lì)磁電壓220V，勵(lì)磁電流If=1.5A。采用三相橋式整流電路，整流器內(nèi)阻。平波電抗器LP=200mH、RP。以晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)指標(biāo)為電流超調(diào)量i5%空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。過(guò)載倍率=1.5，取電流反饋濾波時(shí)間常

41、數(shù)0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常熟Ton=0.01s。取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為15V，輸出限幅值為10V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定=10V。仿真觀察系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。（2）靜態(tài)參數(shù)計(jì)算仿真該晶閘管-整流電動(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)運(yùn)行后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流變化。 1）電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算勵(lì)磁電阻為：勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取0值。電樞電阻電樞電感可由下式估算=電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感=電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TLN= 2）供電電源電壓 (3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)電動(dòng)機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)(4)調(diào)節(jié)器選擇，數(shù)據(jù)計(jì)

42、算1）電流環(huán)的設(shè)計(jì)電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)根據(jù)電流超調(diào)量的要求，電流環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且取二階最佳參數(shù)，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為s2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)為加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選中頻段寬度，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為.雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)建模仿真（1）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真1)MATLAB動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真圖2)設(shè)定模型仿真參數(shù)仿真參數(shù)采用ode45，仿真時(shí)間10s，可以在0.8s時(shí)突加1/2額定負(fù)載。3) 啟動(dòng)仿真并且觀察結(jié)果。圖4.4 MATLAB動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真圖圖4.5 V-M動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真曲線（2） 虛擬模型仿真直流雙閉環(huán)系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)或仿真可以根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行，也可以用SimPo

43、wer Systems的模塊來(lái)建立，從而建立虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)和依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行仿真的不同，在于主電路，后者晶閘管和電動(dòng)機(jī)使用傳遞函數(shù)來(lái)表示，前者的晶閘管和電動(dòng)機(jī)是使用SimPower Systems的模塊，而控制部分相同，但也有不少差異之處。圖4.6 V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型（3） 仿真結(jié)果分析1) 仿真曲線圖，V-M直流調(diào)速仿真曲線圖如圖4.7(a)(b）（c）。圖4.7 （a）轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖4.7（b）電流響應(yīng)曲線圖4.7（c)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線從仿真結(jié)果可以看到，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速超調(diào)后的調(diào)節(jié)三個(gè)階段。與該電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比較，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大幅度下降，

44、電流環(huán)發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用使最大電流限制在設(shè)定的范圍內(nèi)。在0.8s時(shí)突加1/2額定負(fù)載后，電動(dòng)機(jī)電流上升、轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過(guò)0.2s左右時(shí)間的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，可以觀察在不同參數(shù)條件下，雙閉環(huán)系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)，修改轉(zhuǎn)速給定，也可以觀察電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的工作情況。4.3 PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)，是利用電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并且通過(guò)控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓20的效果。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)扮演著很重要的角色，屬于典型的直流調(diào)速系統(tǒng)之

45、一。下面，我將對(duì)雙閉環(huán)PWM-M進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與仿真分析。4.3.(1)給定條件已知直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為：UN=220V，IN=17.5A,1500r/min;4極；Ra；GD22，勵(lì)磁電壓=220V，勵(lì)磁電流If=1.2A。采用三相橋式整流電路，整流器內(nèi)阻。平波電抗器LP=60mH、RP。以H型主電路、雙極性工作方式的PWM-M驅(qū)動(dòng)單元為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：開(kāi)關(guān)頻率為1000Hz；要求電流超調(diào)量i5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。過(guò)載倍率=2，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)0.001s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常熟Ton=0.005s。取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)

46、器的飽和值為15V，輸出限幅值為8V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定=U*un=10V。仿真觀察系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。(2)靜態(tài)參數(shù)計(jì)算仿真該晶閘管-整流電動(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)運(yùn)行后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流變化。1)電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算勵(lì)磁電阻為：勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取0值。電樞電阻電樞電感可由下式估算La=電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TLN=2)供電電源電壓（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)電動(dòng)機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)三相晶閘管整流電路平均失控時(shí)間為（4）調(diào)節(jié)器選擇，數(shù)據(jù)計(jì)算1)電流環(huán)的設(shè)計(jì)終上所述，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)

47、計(jì)算如下：電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)根據(jù)電流超調(diào)量的要求，電流環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且取二階最佳參數(shù)，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為s2)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)為加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選中頻段寬度，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為.雙閉環(huán)PWM-M系統(tǒng)建模仿真（1）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真1)MATLAB動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真圖圖4.8 MATLAB動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真圖2)設(shè)定模型仿真參數(shù)仿真參數(shù)采用ode45，仿真時(shí)間10s，電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，起動(dòng)2.5s后突加額定負(fù)載。3) 啟動(dòng)仿真并觀察結(jié)果。比較動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真圖和虛擬仿真圖的仿真曲線，可以看出，由于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真圖只是由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型搭建起來(lái)，其中很多數(shù)據(jù)、模塊做了相似

48、處理，使得仿真結(jié)果曲線存在一定的不同。圖4.9 PWM-M動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真曲線（2） 虛擬模型仿真，如圖4.10。圖4.10 PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖4.11 PWM模塊圖4.12 ASR模塊圖4.13 ACR模塊（3） 仿真結(jié)果分析，PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線圖如圖4-14（a)(b)(c)。圖4.14（a)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線比較4.9和4.11（a）圖中的轉(zhuǎn)速曲線，可以看出直流雙閉環(huán)系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)或仿真可以根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行，也可以用SimPower Systems的模塊來(lái)建立，從而建立虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)和依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行仿真的不同，在于主電路，后者直流脈寬調(diào)制和電動(dòng)機(jī)使用

49、傳遞函數(shù)來(lái)表示，前者的直流脈寬調(diào)制和電動(dòng)機(jī)是使用SimPower Systems的模塊，而控制部分相同，但也有不少差異之處。圖4,14（b）電流響應(yīng)曲線圖4.14（c)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線從仿真結(jié)果可以看到，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速超調(diào)后的調(diào)節(jié)三個(gè)階段。與該電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比較，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大幅度下降，電流環(huán)發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用使最大電流限制在設(shè)定的范圍內(nèi)。在s時(shí)突加額定負(fù)載后，電動(dòng)機(jī)電流上升、轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過(guò)0.2s左右時(shí)間的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。由于PWM調(diào)速系統(tǒng)中的功放元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),且開(kāi)關(guān)頻率高,故與V-M系統(tǒng)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):（1）電樞電流易連續(xù),系統(tǒng)低速性能好,調(diào)速范圍

50、寬;（2）系統(tǒng)頻帶寬,快速性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng);（3）主電路器件開(kāi)關(guān)損耗小,裝置效率高。第5章 總結(jié)與展望本畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題雖然簡(jiǎn)單，但是為了加大本課題的廣度與深度，我參考并設(shè)計(jì)了與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)的課題，這其中包括簡(jiǎn)單的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，即單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)、帶電流截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)、V-M直流調(diào)速系統(tǒng)、PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)等5種。本畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)利用 MATLAB/ Simulink 仿真工具對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，我們可以非常直觀地觀察電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析21。 為了深入地分析控制原理在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用, 我對(duì)從簡(jiǎn)單

51、閉環(huán)系統(tǒng)到脈寬調(diào)制(PWM) 系統(tǒng)等 5 種直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn), 并作出了分析比較。并且從仿真結(jié)果我們可以得到，雙閉環(huán)系統(tǒng)比單閉環(huán)系統(tǒng)在快速性和穩(wěn)定性方面都有所提高;脈寬調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速范圍、穩(wěn)定性方面有一定的優(yōu)勢(shì)22。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我受益良多。不僅在理論上讓我更加能夠熟練地運(yùn)用MATLAB仿真軟件，更是在實(shí)踐中讓我對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性得到深刻的體會(huì)。將理論付諸實(shí)踐，以實(shí)踐檢驗(yàn)理論。這是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，我為自己能夠完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)感到開(kāi)心、驕傲。本畢業(yè)設(shè)計(jì)雖然只是一個(gè)小小的課題，但是它對(duì)我的未來(lái)意義深遠(yuǎn)。我不僅從此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)的能力，更是讓我對(duì)本專業(yè)的知識(shí)理解和能力運(yùn)用達(dá)到了新的高度。不僅只是將知識(shí)從書(shū)本中提