湖北汽車工業(yè)學(xué)院——雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真采用=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)速性能matlab仿真1. 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)、不可逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路采用三相橋式整流電路，系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：PN =5.5kw，UN =220V，IN =28A，nN=A，電樞回路電阻R=0.8,允許電流過載倍數(shù)=1.8，電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.048s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.185s，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=B，整流裝置內(nèi)阻Rres=1.3，平均失控時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s,ASR、ACR最大輸入、輸出電壓均為10V，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002

2、s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.015s。第一組： A=1200 r/min、B=25；第二組： A=1300 r/min、B=25；第三組： A=1300 r/min、B=35；第四組： A=1490 r/min、B=35；、設(shè)計(jì)一個(gè)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，電動(dòng)機(jī)參數(shù)：UN=220V,IdN=136A,nN=1460r/min,Ce=0.132V.min/r, 過載倍數(shù)，整流裝置放大系數(shù)Ks40，電樞回路總電阻R0.5歐，時(shí)間常數(shù)TL=0.03s,Tm=0.18s，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi0.0017s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton0.01s,

3、取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V。第五組：1.3、0.005V.min/r；第六組：1.4、0.006V.min/r；第七組：1.5、0.007V.min/r；第八組：1.6、0.01V.min/r；第九組：1.7、0.008V.min/r；、第二章習(xí)題 2-14（電磁時(shí)間常數(shù)、機(jī)電時(shí)間常數(shù)作如下更改）第十組：TL=0.012s，Tm=0.12s；第十一組：TL=0.02s，Tm=0.12s；第十二組：TL=0.03s，Tm=0.18s；第十三組：TL=0.03s，Tm=0.25s；第十四組：TL=0.025s，Tm=0.18s；第十五組：TL=0.018s，Tm=

4、0.20s；1.2 分組安排做仿真課設(shè)的每四人一組，共十二組， 1.2 設(shè)計(jì)要求（1）在負(fù)載和電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下穩(wěn)態(tài)無靜差；（2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。（3）首先按工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)ASR、ACR。（4）利用matlab對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路仿真，觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化（負(fù)載、磁場(chǎng)等擾動(dòng)量）對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。（5） 做直流電機(jī)四象限運(yùn)行仿真，包括正向啟動(dòng)正向穩(wěn)態(tài)運(yùn)行正向制動(dòng)反向啟動(dòng)反向穩(wěn)態(tài)運(yùn)行反向制動(dòng)停車等過程的電流、轉(zhuǎn)速、電樞電壓的波形。參考資料如下：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystem

5、s)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來。掌握了強(qiáng)大的SIMULINK工具后，會(huì)大大增強(qiáng)用戶系統(tǒng)仿真的能力。在教材第三章中，對(duì)工程實(shí)踐中用得最多的典型型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在此基礎(chǔ)上，利用SIMULINK軟件仿真能對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為方便的調(diào)整，可以更為直觀地得到系統(tǒng)仿真的結(jié)果，從而加深對(duì)工程設(shè)計(jì)方法的理解。下面就以例題31，32設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)為例，學(xué)習(xí)SIMULINK軟件的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真方法。1仿真模型的建立

6、進(jìn)入MATLAB，單擊MATLAB命令窗口工具欄中的SIMULINK圖標(biāo)，或直接鍵入SIMULINK命令，打開SIMULINK模塊瀏覽器窗口，如圖1所示。由于版本的不同，各個(gè)版本的模塊瀏覽器的表示形式略有不同，但不影響基本功能的使用。圖1 SIMULINK模塊瀏覽器窗口(1)打開模型編輯窗口：通過單擊SIMULINK工具欄中新模型的圖標(biāo)或選擇FileNewModel菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。(2)復(fù)制相關(guān)模塊：雙擊所需子模塊庫圖標(biāo)，則可打開它，以鼠標(biāo)左鍵選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口。在本例中，需要打開SimPowerSystems模塊庫，從Electrical Source組選中AC Voltage

7、Source和 DC Voltage Source模塊拖入模型編輯窗口，從Elements組選中Series RLC Branch和 Three-Phase Transfomer模塊拖入模型編輯窗口，從Machines組選中DC Machine模塊拖入模型編輯窗口，從Power Electronics組選中Universal Bridge模塊拖入模型編輯窗口，從Measurements組選中Voltage Measurement模塊拖入模型編輯窗口，從Connectors組選中Ground和 T Connector模塊拖入模型編輯窗口需要從Simulink模塊庫中把Source組中的Step模

8、塊拖入模型編輯窗口；把Math組中的Sum和Gain模塊拖入模型編輯窗口；把Continuous組中的Transfer Fcn模塊拖入模型編輯窗口；把Sinks組中的Scope模塊拖入模型編輯窗口；把Signal Rounting組中的Demux模塊拖入模型編輯窗口；此外，我們還需要ASR、ACR和Pulse Generator三個(gè)子系統(tǒng)模塊。至此，我們已經(jīng)把轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口。如圖2所示。圖2模型編輯窗口 (3)修改模塊參數(shù)：雙擊模塊圖案，則出現(xiàn)關(guān)于該圖案的對(duì)話框，通過修改對(duì)話框內(nèi)容來設(shè)定模塊的參數(shù)。在本例中，雙擊加法器模塊Sum，打開如圖

9、3所示的對(duì)話框，在List of Signs欄目描述加法器三路輸入的符號(hào)，其中|表示該路沒有信號(hào)，所以用|+-取代原來的符號(hào)，得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中所需的減法器模塊了。圖3加法器模塊對(duì)話框雙擊傳遞函數(shù)模塊（Transfer Fcn），則將打開如圖4所示的對(duì)話框，只需在其分子Numerator和分母Denominator欄目分別填寫系統(tǒng)的分子多項(xiàng)式和分母多項(xiàng)式系數(shù)，例如0.002s+1是用向量0.002 1來表示的。在這里我們用它可以構(gòu)建轉(zhuǎn)速、電流反饋濾波器和給定濾波器。圖4傳遞函數(shù)模塊對(duì)話框雙擊階躍輸入模塊(Step)可以把階躍時(shí)刻(Step time)參數(shù)從默認(rèn)的1改到0，把階躍值(Final

10、value) 從默認(rèn)的1改到10。圖5階躍輸入模塊對(duì)話框雙擊交流電壓源(AC Voltage Source)得到下圖6，修改峰值（Peak amplitude）默認(rèn)的參數(shù)100為200*sqrt(2)，修改頻率（Frequency）默認(rèn)參數(shù)為50。為了形成三相交流電源，三個(gè)AC Voltage Source的Phase項(xiàng)依次填入0、-120、-240，分別對(duì)應(yīng)uA、uB、uC。（標(biāo)注uA、uB、uC，可以通過單擊AC Voltage Source進(jìn)行修改。）圖6交流電壓源模塊對(duì)話框雙擊直流電壓源模塊（DC Voltage Source）得到下圖7，修改Amplitude即改變了電壓源的幅值。這

11、里此模塊用作直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電源，幅值為220V。圖7直流電壓源模塊對(duì)話框雙擊三相變壓器模塊出現(xiàn)下圖8對(duì)話框。修改額定功率和頻率項(xiàng)（Nominal power and frequency）為2e6，50。對(duì)于提供電機(jī)電源的變壓器，選擇其ABC原邊繞組聯(lián)結(jié)（Winding 1(ABC) connection）為Delta(D11)（三角形，電壓相位領(lǐng)先Y聯(lián)結(jié)30°），修改繞組參數(shù)（Winding parameters）為380（相電壓 V1 Ph-Ph）；選擇abc副邊繞組聯(lián)結(jié)（Winding 2 (abc) connection）為Y(星形，無中線)，修改繞組參數(shù)(Winding p

12、arameters)為213（相電壓 V2 Ph-Ph）。對(duì)于提供同步脈沖電源的變壓器，選擇其ABC原邊繞組聯(lián)結(jié)為Delta(D11)，修改繞組參數(shù)為380；選擇abc副邊繞組聯(lián)結(jié)為Y，修改繞組參數(shù)為15；修改其磁阻（Rm）為500，勵(lì)磁電感（Lm）為500。圖8變壓器模塊對(duì)話框三相橋式可控整流電路模塊（6-pulse thyristor bridge）的A、B、C三個(gè)輸入端連接三相電源或三相變壓器的二次側(cè)；它的兩個(gè)輸出端K和A，則輸出整流后的直流電壓，其中K端為“+”，A端為“-”。模型的脈沖輸入端pulse用于接入晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。雙擊模塊彈出對(duì)話框圖9。四個(gè)參數(shù)分別是導(dǎo)通電阻（Thyri

13、stor on-state resitance）、導(dǎo)通電感(Thyristor on-state inductance)、緩沖電阻(Snubber resistance)、緩沖電容(Snubber capacitance)。圖9三相可控整流電路模塊對(duì)話框直流電機(jī)模塊（DC Machine），F(xiàn)+和F-是直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的連接端，A+和A-是電機(jī)電樞繞組的聯(lián)結(jié)端，TL是電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸入端。m端用于輸出電機(jī)的內(nèi)部變量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩四項(xiàng)參數(shù)。雙擊模塊打開對(duì)話框圖10。修改參數(shù)電樞電阻和電感（Armature resistance and inducta

14、nce）為0.210.0021，勵(lì)磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為146.70，勵(lì)磁和電樞互感（Field-armature mutual inductance）為0.84，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數(shù)（Viscous friction coefficient）為0.01，庫侖摩擦轉(zhuǎn)矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。圖10直流電機(jī)模塊對(duì)話框雙擊Gain可修改增益。圖11增益模塊對(duì)話框雙擊Series RLC Branch,可依次修改電

15、阻、電感和電容。圖12RLC串聯(lián)電路模塊對(duì)話框雙擊示波器出現(xiàn)圖13，點(diǎn)擊，即可打開圖14(a)所示對(duì)話框。改變Number of axes就可改變接入信號(hào)的個(gè)數(shù)。還可以右擊選擇Axes proporties得到圖14(b)，通過修改Title來設(shè)置所顯示參量的名字。圖13示波器模塊對(duì)話框圖14(a)示波器參數(shù)修改對(duì)話框圖14(b)示波器坐標(biāo)軸參數(shù)修改對(duì)話框雙擊信號(hào)分解模塊(Demux)，通過修改(Number of outputs)可以改變輸出信號(hào)的個(gè)數(shù)。圖15分解模塊對(duì)話框ASR、ACR其實(shí)是由放大器、積分器、加法器、限幅器組成的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全一樣的控制環(huán)節(jié)。它們用了來自Math組的Gain模

16、塊來仿真比例器，用Continuous組的Integrator模塊和Gain模塊的串接來仿真積分器，兩者通過加法器模塊Sum構(gòu)成了PI調(diào)節(jié)器。經(jīng)過子系統(tǒng)封裝后構(gòu)成一個(gè)模塊。我們可以通過Edit菜單選項(xiàng)Look under Mask查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖16ASR、ACR模塊雙擊ASR或ACR模塊填寫PI調(diào)節(jié)器所需要的放大系數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)和上、下輸出(積分)限幅值，本例的輸出(積分)飽和值10和-10。其原因是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是工作在限幅飽和狀態(tài)，故要在仿真模型中真實(shí)地反映出來。如下圖17(a)所示：如圖17(a)ASR、ACR模塊參數(shù)修改對(duì)話框Pulse Generator的機(jī)構(gòu)如下圖17(b)所示，

17、主要是一個(gè)同步6脈沖觸發(fā)器，由子系統(tǒng)（如圖17(c)所示）構(gòu)成三相同步電壓源，由Fcn將ACR輸出轉(zhuǎn)換成脈沖控制角。而輸入端Block 用于控制觸發(fā)脈沖的輸出，在該端置“0”，則有脈沖輸出；如果設(shè)置為“1”，則沒有脈沖輸出，整流器也不會(huì)工作。圖17(b)圖17(c)完成了對(duì)模塊參數(shù)的調(diào)整后就可以 (4)模塊連接：以鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊起點(diǎn)模塊輸出端，拖動(dòng)鼠標(biāo)致終點(diǎn)模塊輸入端處，則在兩模塊間產(chǎn)生“”線。按照?qǐng)D2的情況，反饋回路中的模塊的輸入端和輸出端的方向位置不妥，應(yīng)該把它水平反轉(zhuǎn)。單擊該模塊，選取FormatRotate Block菜單項(xiàng)可使模塊旋轉(zhuǎn)90°；選取FormatFlip Bloc

18、k菜單項(xiàng)可使模塊翻轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)信號(hào)要分送到不同模塊的多個(gè)輸入端時(shí)，需要繪制分支線，通常可把鼠標(biāo)移到期望的分支線的起點(diǎn)處，按下鼠標(biāo)的右鍵，看到光標(biāo)變?yōu)槭趾?，拖?dòng)鼠標(biāo)直至分支線的終點(diǎn)處，釋放鼠標(biāo)按鈕，就完成了分支線的繪制。此外，選中某一模塊后，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)中模塊四角的黑方塊進(jìn)行拖曳，可以改變模塊圖形的大小。使用者可以根據(jù)實(shí)際情況操作，使得界面更清楚，更美觀。模塊連接完成了后的仿真模型如圖18所示。圖18 電流環(huán)的仿真模型2電流閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真(1)仿真過程的啟動(dòng)：?jiǎn)螕魡?dòng)仿真工具條的按鈕 或選擇SimulationStart菜單項(xiàng)，則可啟動(dòng)仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結(jié)果，如圖19所示。圖

19、19 直接仿真結(jié)果(2)仿真參數(shù)的設(shè)置：從圖19顯示的仿真結(jié)果來看，無法對(duì)階躍給定響應(yīng)的過渡過程有一個(gè)清晰的了解，需要對(duì)示波器顯示格式作一個(gè)修改，對(duì)示波器的默認(rèn)值逐一改動(dòng)。改動(dòng)的方法有多種，其中一種方法是選中圖18 Simulink模型窗口的SimulationSimulation parameters菜單項(xiàng)，打開如圖20所示的對(duì)話框，對(duì)仿真控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖20Simulink仿真控制參數(shù)對(duì)話框其中的Start time和Stop time欄目分別允許填寫仿真的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，把默認(rèn)的結(jié)束時(shí)間從10.0秒修改為0.35秒。再一次地啟動(dòng)仿真過程，然后啟動(dòng)Scope工具條中的第6個(gè)按鈕自動(dòng)刻度(Autoscale),它會(huì)把當(dāng)前窗中信號(hào)的最大最小值為縱坐標(biāo)的上下限，從而得到了圖21所示的清晰圖形。圖21修改控制參數(shù)后的仿真結(jié)果(3)調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整：利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)單和直觀的，在圖18所示的電流環(huán)的仿真模型中，只要調(diào)整PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以很快地得到電流環(huán)的其它階躍響應(yīng)