MATLAB與交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真.ppt

matlab應(yīng)用技術(shù) 清華大學(xué)出版社 王忠禮段慧達(dá)高玉峰編著 4 matlab與交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 1matlab基本知識(shí) 4 1控制系統(tǒng)及控制技術(shù)指標(biāo)與要求 4 1 1自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)介紹 自動(dòng)控制是指在無人直接參與的情況下 利用控制裝置使被控對(duì)象 如機(jī)器設(shè)備 生產(chǎn)過程中的速度 溫度 壓力等物理量自動(dòng)的按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行或變化的處理過程 并將這種能對(duì)被控制對(duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng) 根據(jù)是否把系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行反饋并參與控制而將自動(dòng)控制系統(tǒng)又分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 4 1 2控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與要求 控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)通常分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩大類 1 靜態(tài)指標(biāo) 調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比叫做調(diào)速范圍 表示為 靜差率調(diào)速系統(tǒng)的靜差率是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) 負(fù)載由零增加到額定值時(shí) 對(duì)應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比稱作靜差率s 即 2 動(dòng)態(tài)指標(biāo) 跟隨指標(biāo) 2 最大超調(diào)量 指輸出響應(yīng)與給定值的最大偏差量 nmax t 與給定值nref t 之比 即 3 調(diào)節(jié)時(shí)間ts 調(diào)節(jié)時(shí)間是指輸出響應(yīng)曲線與穩(wěn)態(tài)值之差達(dá)到允許范圍內(nèi) 一般取穩(wěn)態(tài)值的 2 或 5 所需要的時(shí)間 而且以后不再超出這個(gè)范圍 4 振蕩次數(shù)n 3 抗擾動(dòng)指標(biāo) 1 動(dòng)態(tài)速降 動(dòng)態(tài)速降是指擾動(dòng)引起的最大轉(zhuǎn)速偏差 2 恢復(fù)時(shí)間 指由擾動(dòng)作用瞬間到輸出量恢復(fù)到允許范圍內(nèi) 一般取穩(wěn)態(tài)值的 2 或 5 所經(jīng)歷的時(shí)間 3 振蕩次數(shù)n 振蕩次數(shù)n為在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動(dòng)的次數(shù) 它代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力的強(qiáng)弱 4 2直流電動(dòng)機(jī)模型與matlab的實(shí)現(xiàn) 4 2 1直流電動(dòng)機(jī)介紹 直流電動(dòng)機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置 由于其帶有機(jī)械換向器 較比交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 生產(chǎn)運(yùn)行成本較高 并有逐步被交流電動(dòng)機(jī)所取締 但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢(shì) 在軋鋼機(jī) 電力機(jī)車的等方面有一定的應(yīng)用 同時(shí)由于直流電動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)單 理論基礎(chǔ)厚重 對(duì)電機(jī)學(xué)習(xí)者具有很強(qiáng)的吸引力 4 2 2直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 以他激式直流電動(dòng)機(jī)為例分析直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 電樞回路的微分方程式 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 直流電動(dòng)機(jī)對(duì)象引入兩個(gè)狀態(tài)變量 仍然選取輸入量 輸出量為 狀態(tài)空間表達(dá)式 4 2 3直流電動(dòng)機(jī)模型在matlab中的實(shí)現(xiàn) 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型形式主要有三種表現(xiàn)形式 包括動(dòng)態(tài)微分方程式或者差分方程式 傳遞函數(shù)或者脈沖傳遞函數(shù) 狀態(tài)空間表達(dá)式 1 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算 已知某直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 在本章中簡(jiǎn)稱系統(tǒng)i 控制系統(tǒng)主回路與直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下 電動(dòng)機(jī) 主回路 全控橋式整流 負(fù)載及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算得到此直流電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù) 電勢(shì)常數(shù) 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 電磁時(shí)間常數(shù) 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 2 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)形式實(shí)現(xiàn) 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)表達(dá)形式 3 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間表達(dá)式實(shí)現(xiàn) 輸出方程 直流電動(dòng)機(jī)1的狀態(tài)空間表達(dá)式為 其中 輸入量 輸出量為 狀態(tài)變量 4 基于電氣原理圖的直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn) 電動(dòng)機(jī)模型位于simpowersystems工具箱下machines庫(kù)中的dcmachines和discretedcmachines分別是直流電動(dòng)機(jī)和離散直流電動(dòng)機(jī)模型 f 和f 此端子為直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電路控制端子 分別連接勵(lì)磁電源的正極與負(fù)極 a 和a 電動(dòng)機(jī)電樞回路控制端 tl 電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸入端 m 電動(dòng)機(jī)信號(hào)的測(cè)試端 包括轉(zhuǎn)速w rad s 電樞電流ia a 勵(lì)磁電流if a 電磁轉(zhuǎn)矩te n m 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置 armatureresistanceandinductancera ohms 和la h 電樞電阻和電感 fieldresistanceandinductancerf ohms 和lf h 勵(lì)磁回路電阻和電感 field armaturemutualinductancelaf h 電樞與勵(lì)磁回路互感 totalinertiaj kg m 2 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg m 2 viscousfrictioncoefficientbm n m s 粘滯摩擦系數(shù) n m s coulombfrictiontorquetf n m 靜摩擦轉(zhuǎn)矩 n m initialspeed rad s 初始速度 查看此模型方法是通過選擇電機(jī)模型 在右鍵彈出式菜單中 點(diǎn)擊lookundermask 即可實(shí)現(xiàn) 4 3直流調(diào)速系統(tǒng)與matlab仿真實(shí)現(xiàn) 4 3 1直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式 可以看出 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有以下三種方法 1 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 2 改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)速 3 改變電樞回路電阻調(diào)速 例 改變電樞回路電阻調(diào)速來說明在matlab的實(shí)現(xiàn) 使用模塊 直流電動(dòng)機(jī) dc motor 2 直流電壓源 e ef 模塊取自simpowersystems工具箱中的electricalsources庫(kù)里的dcvoltagesource模塊 直流電壓e為直流電機(jī)的電樞回路電壓 直流電壓ef直流電機(jī)的勵(lì)磁電壓 二者參數(shù) amplitude 設(shè)置為240 3 斷路器 breaker 斷路器取自simpowersystems工具箱中的elements庫(kù)里的breaker模塊 4 調(diào)速電阻 r 調(diào)速電阻選自simpowersystems工具箱中的elements庫(kù)里的seriesrlcbranch模塊 為了說明問題 兩只調(diào)速電阻都選擇20歐姆 5 斷路器控制信號(hào) step 斷路器通斷控制采用階躍信號(hào)與模塊的控制端連接實(shí)現(xiàn) 直流電動(dòng)機(jī)的加速點(diǎn)分別設(shè)置在5秒和10秒時(shí)刻 因此將階躍信號(hào)的跳變點(diǎn)時(shí)間分別為5秒和10秒 6 其他模塊其他模塊還包括比例模塊 輸入型接地點(diǎn) 輸出型接地點(diǎn) 兩只t型連接器 信號(hào)分離器以及相關(guān)的示波器 2 仿真參數(shù)設(shè)置 3 仿真結(jié)果 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形圖 電樞電流波形圖 電磁轉(zhuǎn)矩波形圖 4 3 2開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)與仿真 一 開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成 二 開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真 1 基于數(shù)學(xué)模型的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 1 開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 得到系統(tǒng)1開環(huán)控制的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn) 2 基于電氣原理圖的系統(tǒng)仿真 1 三相對(duì)稱交流電源模型 從simpowersystems工具箱中electricalsources 電源 庫(kù)中選擇acvoltagesource模塊 2 晶閘管整流器模型 從simpowersystems工具箱中powerelectronics 電力電子 庫(kù)選取universalbridge 通用橋 模塊 3 直流電動(dòng)機(jī)模型直流電動(dòng)機(jī)模型選取在先前已經(jīng)介紹過 4 主回路平波電抗器模型 從elements模型庫(kù)中 選取seriesrlcbranch模型 5 同步脈沖觸發(fā)器模型 7 其他模塊構(gòu)造開環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng) 還需要用的模塊有 lconnector l型連接器 三個(gè)constant 常數(shù)模塊 以及用來觀測(cè)電機(jī)變量的四個(gè)toworkspace 輸出到工作空間模塊 并設(shè)置輸出變量名分別為為w ia if te w參數(shù)設(shè)置如圖 仿真參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)仿真結(jié)果 4 3 3直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真 1 閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)介紹 2 電流 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng) 二 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)舉例 已知直流調(diào)速系統(tǒng)i 實(shí)際生產(chǎn)工藝要求如下 系統(tǒng)無靜差 電流超調(diào)量為 在額定負(fù)載下 啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的超調(diào)量 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 固有參數(shù) 電勢(shì)常數(shù) 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 電磁時(shí)間常數(shù) 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 晶閘管整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) 預(yù)置參數(shù) 選取轉(zhuǎn)速輸出限幅值 可以計(jì)算得到 晶閘管裝置放大系數(shù) 啟動(dòng)電流 選取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值 可以得到 電流反饋系數(shù) 選取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) 選取轉(zhuǎn)速最大給定值 得到轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 系統(tǒng)i動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 電流調(diào)節(jié)器采用pi調(diào)節(jié)器 根據(jù)典型i系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以得到 2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速的超調(diào)與動(dòng)態(tài)速降均可由抗擾指標(biāo)衡量 而抗擾指標(biāo)以典型ii系統(tǒng)為佳 因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用pi調(diào)節(jié)器 按典型ii系統(tǒng)設(shè)計(jì) 取h 5 設(shè) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為 根據(jù)典型ii系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以得到 三 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真 1 基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真 仿真參數(shù)選擇 ode23 仿真時(shí)間starttime設(shè)為0 stoptime設(shè)為10 其他設(shè)置可以參考開環(huán)系統(tǒng)仿真設(shè)置 電樞電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出曲線 2 基于電氣原理圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真 主要的仿真參數(shù)設(shè)定包括 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)常數(shù)為60 積分系數(shù)11 5 電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)1 24 積分系數(shù)為40 仿真算法選擇ode15s 晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置 基于電氣原理圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果 4 4交流電動(dòng)機(jī)模型與matlab實(shí)現(xiàn) 4 4 1交流電動(dòng)機(jī)與交流調(diào)速系統(tǒng)介紹 目前 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向可分為以下三大類 1 以節(jié)能為目的的改恒速為可調(diào)速 2 以少維護(hù)省力為目的的取代直流調(diào)速系統(tǒng) 3 直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域 從多方面來看 交流調(diào)速系統(tǒng)完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng) 并將為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及節(jié)電節(jié)能等方面帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 4 4 2交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 從電機(jī)學(xué)可知 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 其中 f1為電機(jī)的定子供電頻率 np為電機(jī)極對(duì)數(shù) s為轉(zhuǎn)差率 因此實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)輸出速度的改變 主要通過三類方式來實(shí)現(xiàn) 即改變電機(jī)的極對(duì)數(shù) 變化轉(zhuǎn)差率以及改變供電頻率 目前常見到的具體實(shí)現(xiàn)調(diào)速方案有 變極調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速 串級(jí)調(diào)速以及變頻調(diào)速等 4 4 3交流電動(dòng)機(jī)模型在malab中的實(shí)現(xiàn) 為了簡(jiǎn)化交流電機(jī)的建模復(fù)雜工作 matlab推出的simpowersystems工具箱中定制封裝了系列電機(jī)模型 當(dāng)然包括在先前介紹的直流電機(jī)模型 simpowersystems工具箱中的交流電機(jī)模型位于machines庫(kù)中 主要包括asynchronousmachinepuunits 標(biāo)么值單位制的異步電動(dòng)機(jī) asynchronousmachinesiunits 國(guó)際單位制的異步電動(dòng)機(jī) permanentmagnetsynchronousmachine 永磁式同步電動(dòng)機(jī) simplifiedsynchronousmachinepuunits 標(biāo)么值單位制的簡(jiǎn)化同步機(jī) simplifiedsynchronousmachinesiunits 國(guó)際單位制的簡(jiǎn)化同步機(jī) 等 在本章采用國(guó)際單位制的異步電動(dòng)機(jī) asynchronousmachinesiunits 下面以國(guó)際單位制的異步電動(dòng)機(jī)為例介紹 異步電動(dòng)機(jī)模型 其電氣連接和功能分別為 a b c 交流電機(jī)的定子電壓輸入端子 tm 電機(jī)負(fù)載輸入端子 一般是加到電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載 a b c 繞線式轉(zhuǎn)子輸出電壓端子 一般短接 而在鼠籠式電機(jī)為此輸出端子 m 電機(jī)信號(hào)輸出端子 一般接電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器觀測(cè)電機(jī)內(nèi)部信號(hào) 或引出反饋信號(hào) 異步電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)置 rotortype 轉(zhuǎn)子類型列表框 分別可以將電機(jī)設(shè)置為繞線式 wound 和鼠籠式 squirrel cage 兩種類型 referenceframe 參考坐標(biāo)列表框 可以選擇轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系 rotor 靜止坐標(biāo)系 stationary 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 synchronous nom power l lvolt andfred pn va vn vrms fn hz 額定功率 va 線電壓 v 頻率 赫茲 stator rs ohm lls h 定子電阻rs ohm 和漏感l(wèi)ls h rotor rr ohm lls h 轉(zhuǎn)子電阻rs ohm 和漏感l(wèi)ls h mutualinductancelm h 互感l(wèi)m h intia frictionfactorandpairsofpoles j kg m 2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 j kg m 2 摩擦系數(shù)和極對(duì)數(shù) initialconditions s th deg isaisbisc a 初始條件包括 初始轉(zhuǎn)差s 點(diǎn)角度phas phbs phcs deg 和定子電流isaisbisc a 電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器模塊 電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器參數(shù)設(shè)置 ir abc 轉(zhuǎn)子電流ira irb irc ir qd 同步d q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電流ir q和d軸下的轉(zhuǎn)子電流ir d phir qd 同步d q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir q和d軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir d vr qd 同步d q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr q和d軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr d is abc 定子電流isa isb isc is qd 同步d q坐標(biāo)下的q軸下的定子電流is q和d軸下的定子電流is d phir qd 同步d q坐標(biāo)下的q軸下的定子磁通phis q和d軸下的定子磁通phis d vs qd 同步d q坐標(biāo)下的q軸下的定子電壓vs q和d軸下的定子電壓vs d wm 電機(jī)的轉(zhuǎn)速wm te 電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩te thetam 電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移thetam 4 5異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)與matlab實(shí)現(xiàn) 4 5 1異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理 根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程 為電機(jī)的極對(duì)數(shù) 為定子電源頻率 為定子電源相電壓 為折算到定子側(cè)的每相轉(zhuǎn)子電阻 為每相定子電阻 為每相定子漏感 為折算到定子側(cè)的每相轉(zhuǎn)子漏感 s為轉(zhuǎn)差率 4 5 2異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng) 4 5 3基于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的matlab實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)主要包括速度閉環(huán) 脈沖觸發(fā)器 三相調(diào)壓器 被控交流異步電動(dòng)機(jī)等組成 三相調(diào)壓器由三對(duì)并聯(lián)的晶閘管元件組成 采用相位控制方式 利用三相交流電源自然環(huán)流實(shí)現(xiàn)關(guān)斷 觸發(fā)脈沖的順序?yàn)関1 v2 v3 v4 v5 v6 其中v1 v3 v5之間和v4 v6 v2之間互差120度 v1 v4之間 v3 v6之間 v5 v2之間互差180度 異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 其中主要參數(shù)設(shè)置 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器kp為40 ki為2