基于Simulink的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于 Simulink 的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要調(diào)速系統(tǒng)做為當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)工藝、 產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高和產(chǎn)量的增長， 使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。 當(dāng) 前控制系統(tǒng)已進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代， 在許多領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了智能化控制。 直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu) 良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過載能力大、動(dòng)態(tài)性能好、易于控制以及良 好的起、 制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)， 能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求， 所以 研究直流調(diào)速系統(tǒng)有著十分必要和重要的意義。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。本文以直流調(diào)速系統(tǒng)為主要研究對象， 首

2、先闡明了該課題研究的目的與意義， 具體介 紹了開環(huán)，單閉環(huán)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立 Matlab/Simulink 仿真模型的過 程，得出轉(zhuǎn)速及電流的仿真波形并與理想啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速及電流波形做對比。 分析并比較開環(huán)， 單閉環(huán)和雙閉環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)。 聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛氌譴凈。關(guān)鍵詞： 直流調(diào)速系統(tǒng)； Simulink ；開環(huán)；單閉環(huán)；雙閉環(huán)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）DC SPEED CONTROL SYSTEM BASED ON SIMULINK DESIGN AND SIMULINK 殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆 塹籟。AbstractAs todays electric drive speed con

3、trol system automatic control system of the most widely used system, with the production process, and continuously improve product quality requirements and production growth, making more and more production machinery required to achieve automatic speed . Current control system has entered the comput

4、er age, has been achieved in many areas of intelligent control. DC drive system with excellent speed characteristics, smooth speed, wide range, high precision, large overload capacity, good dynamic performance, easy to control and good starting and braking performance, etc., can meet the production

5、process automation system each different kinds of specific operational requirements, the study DC speed control system has a very necessary and important.In this paper, DC speed control system as the main research object, first to clarify the purpose and significance of the research, specifically de

6、scribes the open-loop, single-loop and double-loop DC speed control system design and build Matlab / Simulink simulation model of the process, too the speed and current simulation waveform and the ideal starting speed and current waveforms do comparison. Analyze and compare the open-loop, single loo

7、p and double loop advantages and disadvantages. Experimental results show that the simulation speed performance with consistent theoretical derivation釅. 錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。Keywords: DC speed control system;Open-loop system;Single-loop system;Double-loop system彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）II華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄摘要

8、 . 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。Abstract . I 廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。1 緒論 0 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。1.1 課題背景 0 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。1.2 概述 . 0 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。1.3 論文內(nèi)容 . 1 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。1.4 本章小結(jié) . 1 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。2 直流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ) 2 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。2.1 Matlab/Simulink 仿真軟件 . 2 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。2.2 直流調(diào)速的理論基礎(chǔ) 2 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。2.3 開環(huán)系統(tǒng)的電氣原理 5 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。2.4 單閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理 6 蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。2.5

9、 雙閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理 7 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。2.6 本章小結(jié) 7 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。3 調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 . 7 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。3.1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 8 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。3.1.1 開環(huán)建模過程 . 8 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。3.1.2 開環(huán)系統(tǒng)的仿真 . 11 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。3.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 13 輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。3.2.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的建模 . 13 堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅。3.2.2 單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 . 15 識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 17 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。3.3.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)

10、的建模 . 17 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。3.3.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 . 19 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。3.4 本章小結(jié) 21 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。4 結(jié)論與展望 . 23 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。致謝 . 24 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。參考文獻(xiàn) . 25 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論1.1 課題背景現(xiàn)代化的工業(yè)過程中，幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置，尤其是在石油，化工，冶金， 輕工，機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)中對電動(dòng)機(jī)的控制更是起著舉足輕重的作用 1 。由此，調(diào)速系統(tǒng)成 為當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng) 2 。隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求 不斷提高和產(chǎn)量的增長，

11、使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。 當(dāng)前控制系統(tǒng)已 進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，在許多領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了智能化控制 3 。對傳統(tǒng)的過程工業(yè)而言，利用先 進(jìn)的自動(dòng)化硬件及軟件組成工業(yè)過程自動(dòng)化調(diào)速系統(tǒng)， 大大提高了生產(chǎn)過程的安全性、 可 靠性、穩(wěn)定性。提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、 提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率， 企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益， 同時(shí)， 也大大促進(jìn)了綜合國力的增強(qiáng)。對可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速4。 慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長涼。直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過載能力大、動(dòng)態(tài) 性能好、易于控制以及良好的起、 制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)， 能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不 同的特殊運(yùn)行要求，所以在

12、電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用 5 。諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類。所謂交流調(diào)速系統(tǒng)， 就是以交流電動(dòng)機(jī)作為電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置， 并對其進(jìn)行控 制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。 相比于直流電動(dòng)機(jī)， 交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低， 堅(jiān) 固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方 向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn) 6 。嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。1.2 概述電力電子技術(shù)是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器，電力電機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 促使電機(jī)控制技術(shù)水平有了突破性的提高。 從 20 世紀(jì) 60 年代第一代電力電子器件晶閘 管（ SCR）發(fā)明至今，已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器件GTR,GTO,MO

13、SFET,第三代復(fù)合場控器件 IGBT,MCT 等，如今正蓬勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品功率集成電路 （ PIC）。每一代的電力電子元件也未停頓， 多年來其結(jié)構(gòu)和工藝不斷改進(jìn)， 性能飛速提高， 在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們在互相競爭， 新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。 同時(shí)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微 電子技術(shù)，電力電子技術(shù)， 傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)， 自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的 最新發(fā)展成就 7 。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的 變化。 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣發(fā)展的主要方向之一8。從 80年代后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，

14、直流調(diào)速已發(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。 特別是使用微機(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， 優(yōu)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力， 在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為 最新控制水平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢 9 。鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出， 為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。 采用微機(jī)控制后， 整 個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化， 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護(hù)方便， 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精 度可達(dá)到較高水平 10。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)

15、速平滑， 調(diào)速范圍廣，過載能力 大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載， 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程 自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求 11。 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。1.3 論文內(nèi)容本文以直流調(diào)速系統(tǒng)為研究對象， 建立了開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)， 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差直流 調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型，應(yīng)用 Simulink 仿真軟件進(jìn)行仿真，在 建模和仿真過程中設(shè)置各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)， 再運(yùn)行仿真， 得出關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流的仿 真結(jié)果圖。分析結(jié)果并與理論推導(dǎo)的調(diào)速性能進(jìn)行比較。 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。第一章緒論。 本章的內(nèi)容主要包括直流調(diào)速系統(tǒng)研究的課題背景、 直流調(diào)速系統(tǒng)的概

16、 述。最后給出了本文的主要研究內(nèi)容。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。第二章直流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。本章簡單介紹了 Matlab/Simulink 仿真軟件和開 環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的詳細(xì)的電氣原理，配合原理圖進(jìn)行說明。 銚銻縵嚌鰻鴻鋟 謎諏涼。第三章調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真。首先是基于第二章的電氣原理結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)了開環(huán)、 單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型， 簡要的介紹了建模的步驟和參數(shù)的設(shè)置。 最后 運(yùn)行仿真，得出仿真圖并分析仿真的結(jié)果。 擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。第四章結(jié)論與展望。對研究工作進(jìn)行總結(jié)并提出進(jìn)一步的研究方向與主題。1.4 本章小結(jié)本章主要簡要介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的課題背景和重要意義

17、， 以及直流調(diào)速系統(tǒng)的研究 現(xiàn)狀。直流調(diào)速是一門與國計(jì)民生緊密相連的一門應(yīng)用科學(xué)， 它的發(fā)展與應(yīng)用于我國的現(xiàn) 代化建設(shè)聯(lián)系之密切、影響之深遠(yuǎn)是不可估量的。近幾年來交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)迅猛發(fā)展， 但是直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟。 因此直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究還是具有 一定實(shí)際意義的 。 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2 直流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)2.1 Matlab/Simulink 仿真軟件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。在這種環(huán)境中，不需要大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作， 就可構(gòu)造

18、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)、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 號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)也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 Simulink 中。 塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫。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，它被廣泛應(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)

19、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， 用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 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。對各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、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

20、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)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義等功能。 裊樣祕廬廂顫諺 鍘羋藺。2.2 直流調(diào)速的理論基礎(chǔ)根據(jù)直流電機(jī)的工作基本原理， 由直流電機(jī)的機(jī)械特性方程 10, 可知直流調(diào)速方法有下 列三種：（1）改變電樞回路電阻。該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是效率低。因此，該方法 適于小功率直流電機(jī)、開環(huán)控制且僅能有級調(diào)速。一般應(yīng)用于電動(dòng)玩具中。 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬 齊驁。（ 2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通 。該方法的

21、優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速；缺點(diǎn)是調(diào)速范圍小而且 通常是配合調(diào)壓調(diào)速在基速以上作小范圍的升速。 現(xiàn)已很少單獨(dú)使用， 通常以非獨(dú)立控制華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）勵(lì)磁的方式出現(xiàn)。 綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。（ 3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī) 額定向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 可調(diào)的直流電源有以下三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組： 用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)的直流電源。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以 驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。圖 2-1 直流調(diào)速方法分類圖 12在許用的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運(yùn)行，缺點(diǎn)設(shè)備多、體積

22、大、費(fèi)用高、效率低安裝須打地基、 運(yùn)行有噪聲、維護(hù)方便， 50 年代廣泛使用，今天很少用 13 。靜止式可控整流器：用靜 止可控整流器，如晶閘管可控整流器以獲得可控直流電壓。 直流斬波器和脈寬調(diào)制變器： 以恒定直流電源供電，用直流波器和脈寬調(diào)制變換器獲得可控的平電壓。 瑣釙濺曖惲錕縞馭篩 涼。比較上面三種直流調(diào)速方法可看出，改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少使用，僅在一些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。 弱磁調(diào)速范圍不大， 往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用， 做額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。 因此自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速配合

23、使用14 。鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)著壟斷地3華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）位。最近幾年來交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速， 并有望在不久以后取代直流調(diào)速系統(tǒng)。 但就目前 而言，直流調(diào)速依然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐都比 較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)15 。櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法詳細(xì)見圖 2-1。 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式：實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個(gè)平滑的可調(diào)的直流電源。常 用的可調(diào)直流電源有下列三種： 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。（1）旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組：用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)

24、電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）直流斬波器或者脈寬調(diào)制變換器：用恒定直流電源或者不可控整流電源供電，利用直 流斬波器或者脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的直流平均電壓。 峴揚(yáng)斕滾澗輻灄興渙藺。（3）靜止可控整流器：用靜止的可控整流器，如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流 電壓。本文選取晶閘管可控整流器，以獲得可以調(diào)節(jié)的直流電壓。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的移相 電壓 Uc，便可調(diào)節(jié)整流電壓 Ud，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系 統(tǒng)，簡稱 V-M 系統(tǒng)。其原理如圖 2-2 所示。圖中 VT 是晶閘管變流裝置，可以是單向、 三

25、相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位， 以改變整流電壓 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 用觸發(fā)脈沖的相位 控制整流電壓的平均值是晶閘管整流器的主要特點(diǎn)， 而且該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、 精度高、 動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，因此，在工業(yè)上得到普遍應(yīng)用。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。圖 2-2 V-M 系統(tǒng)但是晶閘管還存在以下問題：（1）晶閘管的單向?qū)щ娦越o系統(tǒng)的可逆運(yùn)行帶來一些困難；（2）脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量， 流入電網(wǎng)后對電網(wǎng)不利， 同時(shí)增加了電機(jī)發(fā)熱。（3）晶閘管的過載能力較小，要限制過電流和反向過電壓，以及電壓變化（du/

26、dt）和電流變化率（ di/dt ），因此必須要有可靠的保護(hù)裝置和散熱條件； 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。（4）整流電路的脈波數(shù)是有限的，比直流電機(jī)每對級下?lián)Q向片的數(shù)目要少的多，因 此除非主電路電感無窮大， 否則 V-M系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總比 G-M系統(tǒng)更為嚴(yán)重。 脈動(dòng)電流產(chǎn)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。目前在各種整流電路中， 應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路， 其原理圖如圖 2-3 所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的 3 個(gè)晶閘管（ VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極 連接在一起的 3個(gè)晶閘管（ VT2、VT4、VT6）稱為共陽極組。

27、此外，習(xí)慣上希望晶閘管按 從 1 至 6 的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號，即共陰極組中與 a 、b 、c 三相電 源相接的 3 個(gè)晶閘管分別為 VT1、VT3、VT5，共陽極組中與 a、b、c 三相電源相接的 3 個(gè) 晶閘管分別為 VT2、VT4、VT6。這樣晶閘管就按照 1到 6的順序?qū)恕?稟虛嬪賑維嚌妝擴(kuò)踴糶。圖 2-3 三相橋式全控整流電路原理圖下面簡單介紹一下其工作原理：6 個(gè)晶閘管的脈沖按 1 到 6 個(gè)順序，相位依次相差 60；共陰極的組的 3 個(gè)晶閘管脈 沖依次相差 120，共陽極組的 3 個(gè)晶閘管脈沖也依次相差 120；同一相的上下兩個(gè)橋 壁的晶閘管脈沖相差 18

28、0。每個(gè)時(shí)刻均需 2 個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路， 一個(gè)晶閘管是共陽極組的， 一個(gè)是共陰極組的， 且兩個(gè)晶閘管不在同一相。 采用雙脈沖觸 發(fā)，兩個(gè)脈沖前沿相差 60，脈寬一般為 20-30 。當(dāng)給定某一觸發(fā)角時(shí)，共陰極組中 處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓與共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓之差， 即為 輸出整流電壓，這樣通過改變觸發(fā)角的大小，就可以改變輸出整流電壓了。 陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊 巋錟。2.3 開環(huán)系統(tǒng)的電氣原理由于面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法是以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)的。 按 照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，需要從 Simulink 和 SimPower System 模塊庫中找到

29、對應(yīng)的模塊，按照系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行建模。 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如下 2-4 圖所示。從圖中可以看出， 該系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)，脈沖觸發(fā)器，晶閘管整流橋，平波電抗器，直流電動(dòng)機(jī)組成。直華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）流電動(dòng)機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器 L 供電，通過改變觸發(fā)器的移相控制 信號 Uc 來調(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。 溈 氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。圖 2-4 開環(huán)系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖2.4 單閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如下圖 2-5 ：圖 2-5 單閉環(huán)系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺測速發(fā)電機(jī)

30、TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電 壓 Un，與轉(zhuǎn)速給定電壓 Un*相比較后，得到偏差電壓，經(jīng)放大器 A，產(chǎn)生觸發(fā)裝置 GT的華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）控制電壓 Uct ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。只要轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差，該系統(tǒng)就會自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差 的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差， 顯然，該系統(tǒng)可大大減少轉(zhuǎn)速降落。 該系 統(tǒng)由給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋環(huán)節(jié) 等部分組成。 鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團(tuán)藺。2.5 雙閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理如圖 2-6 所示。雙閉環(huán)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)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，

31、 且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(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) 器的積分作用使輸出增加， 即電流給定上升， 并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加， 從而 使電動(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， 即電流給定減小， 并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(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。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達(dá)到限幅值時(shí)，電流環(huán)即以最大電流限制 Idm ，實(shí) 現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的加速，使電動(dòng)機(jī)的啟動(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反

32、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) 。懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。圖 2-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖2.6 本章小結(jié)本章先介紹了本篇論文采用的仿真軟件 Matlab/Simulink 的主要情況；討論了直流調(diào) 速系統(tǒng)的幾種調(diào)速方法和系統(tǒng)仿真的理論基礎(chǔ)；簡要介紹了常用的 V-M 系統(tǒng)及其工作原 理；最后列出了本文仿真的開環(huán)、 單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理， 以便于下一 章節(jié)的仿真。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3 調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘。3.1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是比較簡單的調(diào)速系統(tǒng)， 一般滿足不了工業(yè)生產(chǎn)隊(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求，

33、 通常需要設(shè)置反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機(jī)械性能。 咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。3.1.1 開環(huán)建模過程在 Simulink 仿真中為了簡化模型，有利于仿真，省略了整流變壓器和同步變壓器，整 流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源（ simulink 中選取的）直 接供電。觸發(fā)器連接同步電壓，觸發(fā)器的控制角（ alpha deg 端）通過了移相控制環(huán)節(jié) （shifter），移相控制模塊的輸入是移相控制信號，輸出是控制角。移相控制信號在仿真 中由常數(shù)模塊設(shè)定。 瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴(yán)減。本次建立的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖如下所示：圖 3-1 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖系統(tǒng)由控制電路建模和

34、主電路建模兩部分組成。 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)定簡要敘述如下： （一）主電路的建模和參數(shù)設(shè)定開環(huán)系統(tǒng)的主電路主要由三相對稱交流電壓源，晶閘管整流橋，平波電抗器，直流電 動(dòng)機(jī)等部分構(gòu)成。 由于同步脈沖觸發(fā)器和晶閘管整流橋是不可分割的兩個(gè)環(huán)節(jié)， 所以通常 作為一個(gè)整體來討論，故將觸發(fā)器歸于主電路建模。 麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)定。從模塊組里選取一個(gè)交流電壓源模塊，為了 得到建模需要的三相交流電， 可以通過復(fù)制得到 3 個(gè)電壓源模塊， 再使三個(gè)電壓源的一端 接地。雙擊電壓源模塊 A，可設(shè)定參數(shù)，如下圖 3-2 所示。 B 相和 C 相的設(shè)置不同于 A 相（電源模塊可在旁邊編

35、輯其名稱，這里編輯為 A 相、B 相、C 相）。納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-2 A 相電源參數(shù)設(shè)定A 相的幅值取 220V ，初相位設(shè)置為 0，頻率為 50Hz，其他設(shè)定為默認(rèn)。 B 相和 C 相 設(shè)定的方法和 A 相相同，注意將初相位分別設(shè)定為 120 和 240。這樣就得到了三相對稱交 流電源。 風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)定。從模塊組選取“ Universal Bridge”模塊，雙擊打開 以設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定如下圖 3-3。 滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取 3；電力電子元件選取晶閘管。如果仿真結(jié)果不理想， 則要通

36、過仿真實(shí)驗(yàn)不斷的進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化， 最后確定其參數(shù)如圖 3-3 所示。鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)定。從模塊組中選取“ Series RLC Branch”模塊，雙擊打 開以設(shè)置參數(shù)。參數(shù)設(shè)定要求類型選擇電感 L 就可以得到電抗器。平波電抗器的電感值 是通過仿真實(shí)驗(yàn)比較后得到的優(yōu)化參數(shù)。 攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。直流電動(dòng)機(jī)的建模和設(shè)定。從模塊組中選取“ DC Machine”模塊。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁 繞組接直流恒定勵(lì)磁電源；電樞繞組經(jīng)平波電抗器接晶閘管的輸出；電動(dòng)機(jī)經(jīng) TL 端口接 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載如圖 3-4 所示。 趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)定。 在這里將觸發(fā)器和晶

37、閘管整流橋作為一個(gè)整體來研究。 同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和 6 脈沖觸發(fā)器兩個(gè)部分。仿真要求 6 脈沖觸發(fā)器需用三相 線電壓同步， 所以同步電源的作用是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。 在仿真圖中 觸發(fā)器開關(guān)信號 Block 為“0”時(shí)開放觸發(fā)器；為“1”時(shí)封鎖觸發(fā)器。Block 選取的是 Constant 模塊，設(shè)置參數(shù)為 0 既可。 夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-3 Universal Bridge 的參數(shù)設(shè)置圖 3-4 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)定10華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)定。（二）開環(huán)系統(tǒng)的控制電路比較簡單， 只有一個(gè)給定環(huán)

38、節(jié)。 在模塊組中選取 “Constant” 模塊，設(shè)定參數(shù)為 150rad/s。視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。圖 3-5 給定環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定實(shí)際調(diào)速時(shí)， 給定信號是在一定范圍內(nèi)變化的， 可以通過仿真實(shí)驗(yàn)， 確定給定信號的允許 范圍。這里通過實(shí)驗(yàn)得出給定信號的允許變化范圍在【 207 110】。 偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。3.1.2 開環(huán)系統(tǒng)的仿真在上一節(jié)的仿真基礎(chǔ)上，可以調(diào)試并開始仿真。上一節(jié)的開環(huán)系統(tǒng)的仿真圖可以在Matlab 的模型窗口打開“simulink ”菜單，設(shè)置“ simulink parameters”的參數(shù)，在“ configuration parameters”下設(shè)置仿真參數(shù)。如圖 3

39、-6 所示。 緦徑銚膾齲轎級鏜撟廟。由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng)采取的算法不盡相同。可以通過仿真實(shí)踐的比較 選擇適合的算法。仿真的 Start time 一般設(shè)置為 0 ，stop time 根據(jù)需求設(shè)置，為方便 觀察輸出結(jié)果，一般要求仿真輸出完整的波形既可。 騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。在 Matlab 模型窗口打開“ simulink ”菜單，點(diǎn)擊“ Start ”命令，系統(tǒng)開始仿真。仿 真結(jié)束后可得到仿真結(jié)果。 癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。對開環(huán)系統(tǒng)的仿真來說，可以通過兩種方法來輸出仿真圖形。11華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-6 仿真參數(shù)設(shè)置對話框和參數(shù)設(shè)置（1）采用示波器模塊觀察輸出

40、直接雙擊“ scope”模塊既可。得到的關(guān)于轉(zhuǎn)速、電樞電流、 勵(lì)磁電流、 電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形。 其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間 /s ，縱坐標(biāo)分別表示 r/min 、A、A、 Nm。得到的波形圖如下圖 3-7 所示： 鏃鋝過潤啟婭澗駱讕瀘。圖 3-7 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形圖2）采用“ out1 ”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)，要在 Matlab 命令窗口輸入繪圖命令 plottout ，yout ），可得到關(guān)于電樞電流、給定信號和轉(zhuǎn)速的波形圖，如圖3-8 所示。榿貳軻12華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）謄壟該檻鯔塏賽。圖 3-8 開環(huán)系統(tǒng)仿真輸出波形圖3.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真通過學(xué)習(xí)和比較知道， 要

41、維持電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定， 可引入該物理量的反饋量， 構(gòu)成反 饋閉環(huán)控制系統(tǒng)以減小甚至消除靜差。 常用的反饋系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速反饋、 電壓反饋和電流反饋 系統(tǒng)，這一節(jié)采用單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。3.2.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的建模與開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，兩者的主電路是相同的，區(qū)別在于控制電路上?？刂齐?路中有了區(qū)別于開環(huán)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。 下面在詳細(xì)介紹仿真過程中為了避免重復(fù)主要介紹 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置。 嶁硤貪塒廩袞憫倉華糲。本次建立的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖如下圖 3-9 所示：13華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-9 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型這里單閉環(huán)有靜差直流

42、調(diào)速的建模也分為主電路和控制電路： （一）主電路的建模和參數(shù)設(shè)定比較圖 3-10 和開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖可以看出， 主電路相同。 由此主電路可直接 復(fù)制開環(huán)系統(tǒng)的電路以簡化建模過程。 值得注意的是， 這里經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)的多次嘗試和比 較設(shè)定平波電抗器的電感值為 5e-2H。 該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。 （二）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)定單閉環(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、速度調(diào)節(jié)器、速度反饋等 環(huán)節(jié)構(gòu)成。結(jié)合實(shí)際仿真需要，增加了限幅器、偏置、反向器等模塊。 劇妝諢貰攖蘋塒呂侖廟。這里有靜差調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，系數(shù)如圖取10，它是通過仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得來的。14華北電力大學(xué)

43、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-10 比例調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置為了使同步觸發(fā)器能在正常工作，必須設(shè)置限幅器等環(huán)節(jié)。主這里限幅器設(shè)置如下：圖 3.11 限幅器的參數(shù)設(shè)置通過對給定信號的參數(shù)變化范圍仿真實(shí)驗(yàn)探索得知，當(dāng) Uct 在 110-207V 范圍內(nèi)變化 時(shí)，同步脈沖觸發(fā)器可以正常工作； 當(dāng)Uct 是 110時(shí)，相對的整流橋輸出電壓為最大； Uct 為 207 時(shí)對應(yīng)的輸出電壓為最小，接近為零。 可見它們是單調(diào)下降的函數(shù)關(guān)系。由此， 將 限幅器的上下幅值設(shè)為 97 0 。用加法器加上偏置“ -207 ”后調(diào)整成 -110 -207 ，在經(jīng) 過反向器轉(zhuǎn)換為 110 207 。這樣就桐過限幅器、偏置、反

44、向器等模塊的應(yīng)用，將速度調(diào) 節(jié)器的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作的范圍內(nèi)。 這里通過實(shí)驗(yàn)得知給定信號 可在0 180rad/s 內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。3.2.2 單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置方法和開環(huán)系統(tǒng)的一樣。仿真中選取的算法是 ode23t ；仿真 Start time 為 0， stop time 為3，其他的設(shè)置和開環(huán)系統(tǒng)相同。 鰻順褸悅漚縫 囅屜鴨騫。對單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真來說，也可以通過兩種方法來輸出仿真圖形。 （1）采用示波器模塊觀察輸出波形：得到的關(guān)于轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩 的仿真波形。其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間 /s ，縱坐標(biāo)分別表

45、示 r/min 、A、 A、Nm。得到的波形圖 如下圖 3-12 所示： 穡釓虛綹滟鰻絲懷紓濼。15華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-12 單閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形圖（2）采用“out1 ”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)， 在 Matlab 命令窗口輸入“ plot （tout ，yout ） 得到的關(guān)于電樞電流和轉(zhuǎn)速的輸出波形圖如下圖 3-13 所示： 隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。圖 3-13 單閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形圖利用上述兩個(gè)波形圖和開環(huán)系統(tǒng)的輸出波形圖比較 : 單閉環(huán)負(fù)反饋有靜差系統(tǒng)的機(jī)械 特性較開環(huán)系統(tǒng)硬的多， 負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速降明顯比開環(huán)系統(tǒng)小。 理論上減小為原開 環(huán)系統(tǒng)的 1/ （1+K）

46、。K 值越大，穩(wěn)態(tài)速降就越小。對于要求調(diào)速范圍和靜差率不高的情況 下，可采用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)； 對于要求靜差率和調(diào)速范圍較高的情況下， 開環(huán)系統(tǒng)滿足不了 要求時(shí)，可以采用增加反饋環(huán)節(jié)， 例如這里的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。 有靜差調(diào)速系統(tǒng)是依16華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）靠偏差信號的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的。 但是這種系統(tǒng)只能減小偏差而不能消除偏差。 當(dāng)然可 以把這里的比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器就可以實(shí)現(xiàn)無靜差。 比較可見， 引入轉(zhuǎn)速閉環(huán) 將使調(diào)速系統(tǒng)大大減少轉(zhuǎn)速降落。 為此所需付出的代價(jià)是， 需要在控制電路中增設(shè)檢測和 反饋環(huán)節(jié)。這在一定程度上比開環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜。 浹繢膩叢著駕驃構(gòu)碭湊。通過調(diào)試和仿真，

47、該系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，轉(zhuǎn)速具有一定的穩(wěn)定性， 并且當(dāng)電源電壓和電動(dòng)機(jī)負(fù)載變換時(shí)， 轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。 當(dāng)然，系統(tǒng)也存在著 一些不足，例如，由于電流調(diào)節(jié)器采用的比例調(diào)節(jié)， 系統(tǒng)是有靜差的， 對輸入有穩(wěn)態(tài)誤差。 要想消除上述誤差， 可以將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器， 可消除靜差， 大大提高系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。 由于采用的單閉環(huán)控制， 各參數(shù)之間相互影響， 用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以進(jìn)行調(diào)節(jié)器 動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整， 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較差， 為了獲得更好的動(dòng)態(tài)性能， 可用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（下一節(jié)內(nèi)容） ，系統(tǒng)的波形更接 近于實(shí)際運(yùn)行波形。 鈀燭罰櫝箋

48、礱颼畢韞糲。3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜， 是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng) ，具有調(diào)速范 圍寬 、穩(wěn)定性好、 精度高等許多優(yōu)點(diǎn)。 這節(jié)介紹轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真。愜執(zhí)緝蘿紳頎陽灣熗鍵。3.3.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的建模在 Simulink 仿真中 ASR和 ACR都選用 PI 調(diào)節(jié)器，不斷運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化參數(shù)。把轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 ASR的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變 換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，這里稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，因此稱作外 環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。 貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵

49、鎦龐。本次建立的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如下圖 3-14 所示。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)也分為主電路和控制電路兩部分：（一）主電路的建模和參數(shù)設(shè)定 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路建模和模型參數(shù)設(shè)置基本和單閉環(huán)直流調(diào)速系 統(tǒng)相同。可以通過復(fù)制單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真圖直接得來。但是通過仿真實(shí)驗(yàn)的嘗試和探 索，這里把平波電抗器的電感值修訂為 9e-3H。嚌鯖級廚脹鑲銦礦毀蘄。（二）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)定如上圖 3-14 所示，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié) 器 ACR 、速度調(diào)節(jié)器 ASR、限幅器、偏置、反向器、電流反饋環(huán)節(jié)、速度反饋環(huán)節(jié)等。 限幅器、偏置電路和反向

50、器的設(shè)置及建模和上一節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一樣。 薊鑌豎牘熒 浹醬籬鈴騫。為區(qū)別上一節(jié)，這里設(shè)置給定環(huán)節(jié)的參數(shù)為 130rad/s。電流反饋系數(shù)設(shè)為 0.1（通過設(shè) 置增益模塊， 系數(shù)設(shè)為 0.1得到）；速度反饋系數(shù)設(shè)置為 1（在圖中直接連線不標(biāo)明既可得 到）。齡踐硯語蝸鑄轉(zhuǎn)絹攤濼。17華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-14 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖至于雙閉環(huán)的兩個(gè) PI調(diào)節(jié)器這里設(shè)置電流調(diào)節(jié)器 ACR參數(shù)為 Kp為2，上下幅值為 130 -130；速度調(diào)節(jié)器 ASR 參數(shù)設(shè)為 Kp 為 1.2，上下幅值為 25 -25 。其他的環(huán)節(jié)設(shè)置和上 一節(jié)相同或者選擇默認(rèn)值既可。 紳藪瘡顴訝標(biāo)

51、販繯轅賽。圖 3-15 速度調(diào)節(jié)器 ASR 的參數(shù)設(shè)置18華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-16 電流調(diào)節(jié)器 ACR 的參數(shù)設(shè)置3.3.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真通過對仿真算法的比較實(shí)踐，本次雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真算法選取ode23s，仿真start time 為 0， stop time 設(shè)為 2，其他的設(shè)置和上一節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)一樣。 飪籮獰屬諾釙 誣苧徑凜。（1）采用示波器模塊觀察輸出波形：得到的關(guān)于轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn) 矩的仿真波形。其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間 /s ，縱坐標(biāo)分別表示 r/min 、A、 A、Nm。得到的波形 圖 3-17 所示。 烴斃潛籬賢擔(dān)視蠶賁粵。（2）采用“ou

52、t1 ”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)， 要在 Matlab 命令窗口輸入繪圖命令 plot （tout ，yout ），可得到關(guān)于電樞電流、給定信號和轉(zhuǎn)速的波形圖如下圖3-18 所示。鋝豈濤軌躍輪蒔講嫗鍵。從仿真波形圖可以看出， 本次仿真結(jié)果很接近理論分析的波形。 啟動(dòng)過程的第一個(gè)階 段是電流上升階段。圖加給定電壓， ASR的輸入很大， ASR的輸出很快就達(dá)到了限幅值， 電流也很快上升，接近于它的最大值。第二階段， ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系 統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 電流基本保持不變， 拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速， 轉(zhuǎn) 速線性增長。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到了給定值后。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 AS

53、R的給定和反饋電壓平衡， 輸入偏差為 0，但由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR輸入端出現(xiàn)了負(fù)偏差電壓，使得 ASR推出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段。速度保持恒19華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）定。仿真的結(jié)果很好的反映了上述的描述。 擷偽氫鱧轍冪聹諛詼龐。和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形比較可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在保持了系統(tǒng)穩(wěn)定的前 提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差的優(yōu)點(diǎn)外， 還能夠?qū)崿F(xiàn)快速起制動(dòng)， 大大的提高了系統(tǒng)的性能， 使得 雙閉環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢。 蹤飯夢摻釣貞綾賁發(fā)蘄。20華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 3-18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形圖3.4 本章小結(jié)

54、本節(jié)分別建立了開環(huán)、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 圖，詳細(xì)的介紹了各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置和設(shè)置了三個(gè)仿真系統(tǒng)的仿真時(shí)間、算法等參數(shù)。 由建模的過程可以看出，面向控制系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行的調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真 很簡單。只需要從電力系統(tǒng)工具箱中選取各個(gè)模塊，設(shè)置模塊的具體參數(shù)，按照電氣系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建既可。系統(tǒng)的建模過程接近實(shí)際系統(tǒng)的搭建過程，而且元件庫的電氣 元件能較為全面的反映出相應(yīng)的實(shí)際元件的電氣特性，與利用各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)建模 具有明顯的優(yōu)勢，因此仿真的結(jié)果更符合實(shí)際。為了使系統(tǒng)能夠得到好的性能，通常要 根據(jù)仿真的結(jié)果來對系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，比如本

55、節(jié)中就平波電抗器的 電感值的調(diào)整。本章也可以增加單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真，只要把有靜 差的仿真圖中的比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器既可。這里不再介紹。 婭鑠機(jī)職銦夾簣軒蝕騫。由仿真得出的結(jié)果可以看出這次的實(shí)驗(yàn)比較成功，都較好的反映了實(shí)際的系統(tǒng)的特 性。當(dāng)然，仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際系統(tǒng)之間存在一定的差距， 這主要是由于在建模過程中進(jìn)行了 簡化處理，忽略了一些不重要的因素。 譽(yù)諶摻鉺錠試監(jiān)鄺儕瀉。21華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4 結(jié)論與展望通過實(shí)驗(yàn)可知采用 MATLAB軟件的 Simulink 模塊 , 可以建立直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模 型 , 方法是可行的 , 仿真的結(jié)果是合理的。該仿真方法可以在直流調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) 中得到廣泛的應(yīng)用。 本文分別對開環(huán)、 轉(zhuǎn)速有靜差單閉環(huán)、 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 進(jìn)行了仿真研究。 研究表明開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡單， 但只適用于對調(diào)速精度要求不高的場合。 單閉