1、专业课程设计论文题 目 转速电流双闭环直流调速系统仿真专 业 电气工程与自动化 姓 名 0 班 级 电气工程与自动化二班 学 号 201008064105 2013 年 5 月 10 日第 II 页转速电流双闭环直流调速系统仿真摘 要：MATLAB 仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用 MATLAB 仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择 MATLAB 的仿真。本文就简单的转速电流双闭环直流调速系统的 MATLAB 仿真这个例子，通过对 MATLAB 的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比，对 MATLAB 的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对 MATLAB 的仿真做到最
2、优选择。 详细介绍了用 MATLAB 语言对电机与拖动 中转速电流双闭环直流调速系统实验的仿真方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验然后讨论了 MATLAB 在转速电流双闭环直流调速系统教学中的应用。首先在分析转速电流双闭环直流调速系统的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于电气原理图仿真, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对转速电流双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的 MATLAB /SIMULINK 仿真模
3、型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使转速电流双闭环直流调速系统趋于合理与完善。关键词：转速电流双闭环直流调速系统仿真; 限幅； 调节器； MATLAB 仿真Abstract:MATLAB simulation is more and more high, in the position in scientific research how to make use of MATLAB simulation of ideal results, the key lies in how to properly select MATLAB simulation. In this 第 I
4、II 页paper, the speed of simple current double closed loop dc speed control system of the MATLAB simulation of the example, through the MATLAB simulation, different simulation results are obtained. Through comparing the simulation results of MATLAB simulation are studied. Thus summed up how to do the
5、 simulation of MATLAB simulation in the process of the optimal choice.MATLAB language was introduced in detail in the “motor and drag“ speed current double closed loop dc speed control system experiment simulation method and model is established in this paper. Its simulation results are consistent w
6、ith theoretical analysis, it shows that the simulation is reliable, can replace part of the physical experiment. Then discusses the MATLAB in the teaching of speed current double closed loop dc speed control system applications. First of all, based on the analysis of speed current double closed-loop
7、 dc speed regulating system, on the basis of simulation based on mathematical model is presented in this paper, flexible adjustment related parameters in the simulation, optimization of parameter design. Second completed based on the electrical schematic simulation, and the anti-interference ability
8、 of the speed control system are analyzed. With engineering design method for speed current double closed loop dc speed control system to carry on the design, select controller structure, parameter calculation and validation; Dynamic structure of system is given, the establishment of starting, resis
9、tance to load disturbance of the MATLAB/SIMULINK simulation model. Simulation analysis system of starting speed and current waveform, and debugging, make speed current double closed loop dc speed control system more reasonable and perfectKeywords: Speed current double closed loop dc speed control sy
10、stem simulation; Clipping; Regulator; The MATLAB simulation:第 IV 页目 录1 课题背景 2 转速电流双闭环直流调速系统的原理 2.1 原理 .2.2 各参数的理论计算 3 仿真过程 3.1 仿真原理图 3.2 Matlab 软件环境下查找器件、连线具体步骤 .3.3 所用元器件及其参数设置 .3.4 仿真结果 174 仿真分析 175 总结 186 参考文献 .19第 V 页1 课题背景:在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、
11、稳定性好，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起制动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内基本几乎都采用直流电力拖动系统。开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求，在应用广泛的双闭环直流调速系统中，传统的 PID 控制已经得到比较成熟的应用，但是受电动机负载等非线性因素的影响，传统的控制策略在实际应用中难以保持设计是的性能。由于模拟控制技术的日渐成熟，又由于模糊控制不依赖于被控对象的精确数字模型，能够克服非线性因素的影响，对调节对象参数变化具有较强的鲁棒性，所以将模糊控制与传统的 PID 控
12、制结合可以起到满意的控制效果，在此基础上提出自调整因子 模糊控制器，根据控制的误差值，通过适当的调节规则来调整一些控制参数值，从而用于高精度直流调速系统中，具有响应快、超速小，对系统参数及结构变化适应性强的优点。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负
13、反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。第 VI 页2 转速电流双闭环直流调速系统的原理2.1 原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器分别调节转速和电流，即分别引进转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器，它们的输出都是带限幅作用的，转速调节器 ASR 的输出限幅电压 决定imU了电流给定电压的最大值，电流
14、调节器 ACR 的输出限幅电压 限制了电力电c子变换器的最大输出电压 。dmU2.2 各参数的理论计算a、电流环的控制对象是双惯性型的，传递函数可以写成： sKsWiACR)1()由上式可以看出，电流调节器的参数是 和 ，其中 已经选定，可根据iKii动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量 ，查表知，可选择5%i， ，则 ，再由公式推导得0.70.5iIk12IciikwT)(2isisi TKRTKll第 VII 页b、转速调节器的传递函数是： sKsWnASR)1()转速调节器的参数包括 Kn 和 n。按照典型型系统的参数关系，有， ，因此 。至于中频宽 h 应选择多少，nhT2n
15、N1ThKnmen2)1(RThC要看动态性能的要求决定. 无特殊要求时，一般可选择 h=5 为好。3 仿真过程3.1 仿真原理图第 VIII 页3.2 Matlab 软件环境下查找器件、连线具体步骤根据实验原理图，接成入上图所示的线路图。a、点击 图标，打开 Matlab 软件，在工具栏里根据提示点击 ，再点击 matlab help，打开一个对话框，点击 里的 new model，创建一个新文件。b、点击工具栏的 ，打开元器件库查找新的元器件。c、原件库如下图所示如果不知在哪里找到元器件，可以在 里输入元器件的名称，键入ENTER 即可查找。3.3 所用元器件及其参数设置a、三相交流电源
16、V1、V2 、V3设置三相电压都为 220V，两两之间相位差为 120，分别为 0、-120、-240 。b、 Voltage Measurement（电压测量表）c、 Constent（信号发生器）输入一个信号，参数值各不一样，如下以一种情况为例。第 10 页d、Synchronized 6-pulse generator同步 6 脉冲触发器，由 Fcn 将 ACR 输出转换成脉冲控制角 。而输入端 Block 用于控制触发脉冲的输出，在该端置“0” ，则有脉冲输出；如果设置为“1”，则没有脉冲输出，整流器也不会工作。e、Universal Bridge第 11 页普通的桥电路起着过载保护作
17、用，防止电流过大烧坏电机。f、DC Machine（直流电动机）F+和 F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和 A-是电机电枢绕组的联结端，TL 是电机负载转矩的输入端。m 端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。修改参数电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance）为0.21 0.0021，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance）为146.7 0，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance）为第 12 页0.84，转动惯量
18、（Total inertia）为 0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为 0.01，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为 1.9，初始角速度(initial speed)为 0.1。g、直流电源修改 Amplitude 即改变了电压源的幅值。这里此模块用作直流电动机的励磁电源，幅值为 220V。第 13 页h、PI 调节器分别作为转速调节器 PID Controller 和电流调节器 PID Controller1，PID Controller 的输出作为 PID Controller1 的输入，起到限幅的作用。i、G
19、ain（双击 Gain 可修改增益）第 14 页j、Saturation（反馈深度）k、Sum（加法器）在 List of Signs 栏目描述加法器三路输入的符号，其中|表示该路没有信号，所以用|+-取代原来的符号，得到动态结构框图中所需的减法器模块了。第 15 页l、Demux（分接器）m、scope（示波器）第 16 页n、仿真环境参数设置点击 选中第三个，设置环境参数。第 17 页3.4 仿真结果根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图，运行之后，得到如下波形。以下波形分别为转速 n，电枢电流 Ia，励磁电流 If，转矩 T4 仿真分析从上图仿真的波形可以看出，它非常接近于理论分析
20、的波形。从波形中也可以看出，在启动中转速调节器经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，整个动态过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。第一阶段突加电压，电枢电流迅速上升，速度调节器的输入很快达第 18 页到限幅值。第二阶段，ASR 始终饱和，转速环相当于开环，保持电流恒定，拖动系统恒加速，转速线形增加。第三阶段，当转速达到给定值之后，转速调节器和电流调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调之后，转速调节器输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线形调节阶段，使速度恒定不变，实际仿真结果基本上符合理论分析。转速调节器
21、的作用是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差；它对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化；它对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。实验中存在一定的误差，由于参数的设定，线路的连接，还有仿真参数的选择。5 总结用 Matlab 软件进行转速电流双闭环直流调速系统仿真，很是方便，实验现象虽然没有那么直观，但是调试提来很方便。但对于英文版的 matl
22、ab 我不是很明白哪个模块对应的是哪个器件，器件的参数设置于计算也是我很头疼的。不过无论如何，我从这次仿真还是学到了很多的东西，比如了解及掌握了一些模块的用法及参数设置。第 19 页参考文献：1.夏德钤 翁贻方： 自动控制理论 (第 2 版)机械工业出版社，2004 年 1 月第 2 版2.顾绳谷： 电机及拖动基础( 第 4 版) 机械工业出版社，2007 年 9 月第 4 版3.王兆安 黄俊： 电力电子技术 (第 4 版) 机械工业出版社，2007 年 6 月第 4 版4.阮毅 陈伯时： 电力拖动自动控制系统 -运动控制系统( 第 4 版) 机械工业出版社，2007 年 9 月第 4 版5.陈伯时： 电力拖动自动控制系统( 第 2 版)机械工业出版社，2000 年 9 月第 2 版6.李国勇 谢克明： 计算机仿真技术与 CAD( 第 2 版)电子工业出版社，2008 年 1 月7.薛定宇： 反馈控制系统设计与分析MATLAB 语言应用 清华大学出版社 2000 年 4 月第 1 版8.张晓华： 控制系统数字仿真与 CAD 机械工业出版社，1999 年 10 月第 1 版
