雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn)

1、雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn)魏小景張曉嬌劉姣（自動化0602班）摘要：采用工程設(shè)計(jì)方法對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算和校驗(yàn)；給出系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立起動、抗負(fù)載擾動的Matlab Simulink仿真模型.分析系統(tǒng)起動的轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并進(jìn)行調(diào)試，使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理與完善兀善。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)節(jié)器;Matlab Simulink建模仿真1引言具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程:第一選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，精度高等優(yōu)點(diǎn)，

2、在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng), 用。由于直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ), 設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一般包括兩個(gè)方面 保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度第二選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。本文就直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，從直流電機(jī)的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，然后進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)設(shè)計(jì)方法研究，最后用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，并采用Matlab/Sim-ulink進(jìn)行仿真。2. 基本原理和系統(tǒng)建模為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，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，二者之間實(shí)行串聯(lián)連接把轉(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

3、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GT，TA為電流傳感器，TG為測速發(fā)電機(jī).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)在外邊叫做外環(huán)，這樣就形了轉(zhuǎn)速、圖1直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下 ：晶閘管三相橋式全控整流電路供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)：直流 電動 機(jī)：220 V ,13.6 a,1480 r / min, C =0.131 V /(r / min)，允許 過 載倍 數(shù) -1.5 ；晶閘管裝置：Ks =76 ；電樞回路總電阻：R =6.58 i 1 ;時(shí)間常數(shù)：Tl =0.018 s，Tm =0.25 s ;反饋系數(shù)：.

4、=0.00337 V /(r / mi n) ,1 = 0.4V / A ；反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Toi = 0.005 s ， Ton 二 0.005 s。3. 1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3. 1. 1 計(jì)算時(shí)間常數(shù)經(jīng)查表，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts =0. 0017s ,電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) T工i = Ts + Toi = 0.0067s ,電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù) Tl = 0.018s。3. 1.2確定電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)根據(jù)性能指標(biāo)要求 di 5 %，保證穩(wěn)態(tài)無誤差。把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為:WACR ( s) =Ki ( t is + 1)/ t is式中Ki , t i分別

5、為電流調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時(shí)間常數(shù).其中t i = T1 = 0. 018s ,為滿足的要求 應(yīng)取K1T工i = 0. 5因此：K1 =0.5/ T工i= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR的比例放 大系數(shù) Ki =K1 t i R/ 3 Ks=0.29故電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)WACR (s) =0.29(0.018 s + 1)/0.018s經(jīng)過校驗(yàn)，滿足晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件，也滿足電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，設(shè)計(jì)后電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)d i = 4. 3 % w 5 %滿足設(shè)計(jì)要求。3. 2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3 .2. 1 計(jì)算時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):2 T工

6、i = 0. 0134s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：T工n = 2 T工i + Ton = 0. 0318s3. 2. 2確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，可以把已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象.為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,提高系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，又考慮到動態(tài)要求，因此把轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：WASR ( s) = Kn( t ns + 1)/ t ns式中Kn , t n分別為轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時(shí)間常數(shù).取中頻寬h = 5 ,則ASR的領(lǐng)先時(shí)間常數(shù)：t n =2 2hT工n = 0. 159s ,按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)速環(huán)開

7、環(huán)放大系數(shù):KN =(h + 1)/2 h T 2 n= 118.67s-1 則ASR 的比例放大系數(shù)為：Kn =KN t n Ce Tm a R=( h + 1) 3 Ce Tm/2 h a RTS n, 則 Kn =11.15經(jīng)過校驗(yàn)，滿足電流環(huán)傳遞函數(shù)等效條件，也能滿足轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，轉(zhuǎn)速超調(diào)量cn = 8. 3 % 10 %滿足設(shè)計(jì)要求.為保證電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中的運(yùn)算放大器 工作在線性特性段以及保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)元件、部件與裝置不致?lián)p壞，在電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出端設(shè)置了限幅裝置，幅值限制為-6+ 6。4. Simulink仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析4. 1系統(tǒng)起動過程

8、的仿真4. 1. 1構(gòu)建仿真模型Simulink是MAT LAB 的一個(gè)用來進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包，Simulink為用戶提供了使用系統(tǒng)模型框圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺。只需根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型從Simuli nk模塊庫中選取合適的模塊組合在一起，并根據(jù)一些具體要求設(shè)置好各模塊參數(shù)即可進(jìn)行仿真.根據(jù)圖1和上面計(jì)算出的相關(guān)參數(shù)，建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab/Simuli nk動態(tài)仿真模型，如圖2所示。圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模塊圖4. 1.2 仿真運(yùn)行Simulink仿真模型，輸出示波器，得出轉(zhuǎn)速的仿真曲線，如圖3所示。圖3輸岀轉(zhuǎn)速n波形圖施加階躍信號，如圖4所示。圖4添加擾動后的雙

9、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模塊圖得雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載特變擾動的情況下,轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍擾動響應(yīng)曲線，如圖 5所示。圖5擾動后的輸岀轉(zhuǎn)速n波形圖4.2結(jié)果分析：由上訴波形圖分析可知，仿真后的轉(zhuǎn)速輸出雖然時(shí)間相應(yīng)符合要求但是超調(diào)很大，需要對調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)。 適當(dāng)減小轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和時(shí)間常數(shù)犧牲調(diào)節(jié)時(shí)間可以減小超調(diào)，所以取 Kn=7, t n=6.3s得如下的輸出波形，如圖 6所示。圖6校正后的輸岀轉(zhuǎn)速n波形圖抗擾性能也比較好，如圖 7所示。圖7校正后的抗擾性能轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)輸出下所示。轉(zhuǎn)速環(huán)電流環(huán)圖8 校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)輸岀綜上所述，這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)起動特性好、超調(diào)量、抗擾性好，設(shè)計(jì)比較合理。5. 結(jié)論本文通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行的 設(shè)計(jì)，選擇了調(diào)節(jié)器的類型， 給出了系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行了仿真和分析。在充分發(fā)揮電機(jī)過載能力的同時(shí)，可以獲得良好的靜、 動態(tài)性能，在實(shí)際工程中有一定的應(yīng)用價(jià)值。造成系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法與仿真實(shí)驗(yàn)之間有差距的原因，總結(jié)如下幾點(diǎn)：（a） 工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過程中做了許多近似的處理，而這些簡化處理在一定的條件下才能成