帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)仿真

1、 2009級電氣工程與自動化專業(yè)課程設計論文重慶文理學院電子電氣工程學院 專業(yè)課程設計論文題 目 帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)仿真專 業(yè) 電氣工程與自動化 姓 名 班 級 學 號 2012年 5 月 15日- 21 -帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)仿真摘要:為了提高直流調速系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（主要包括單閉環(huán)、雙閉環(huán)）。而在對調速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)即可。閉環(huán)系統(tǒng)較之開環(huán)系統(tǒng)能自動偵測把輸出信號的一部分拉回到輸入端，與輸入信號相比較，其差值作為實際的輸入信號；能自動調節(jié)輸入量，能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在對調速系統(tǒng)性能有較高要求的領域常利用直流電動機，但直流電動機

2、開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性不能夠滿足要求，可利用轉速單閉環(huán)提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調節(jié)器的負反饋調速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)靜差，可采用積分調節(jié)器代替比例調節(jié)器。MATLAB仿真在科學研究中的地位越來越高，本文就簡單的帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)這個例子，通過對MATLAB的仿真，改變Un*、Kp得到不同的仿真結果。通過對仿真結果的對比，從而總結出如何在仿真過程中對MATLAB的仿真做到最優(yōu)選擇。 關鍵詞：直流調速 單閉環(huán) 穩(wěn)態(tài)精度 比例調節(jié) MATLAB仿真 目 錄1 引言.1 2帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)仿真原理. 2.1問題的提出與解決.6 2.2帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)原理

3、 3仿真過程 3.1電力系統(tǒng)(SIMULINK)工具箱 3.2仿真原理圖3.3仿真過程331仿真具體步驟332所用元器件及其參數設置第四章結論.25參考文獻.26 1引言直流調速是現代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。在20世紀60年代，隨著晶閘管的出現，現代電力電子和控制理論、計算機的結合促進了電力傳動控制技術研究和應用的繁榮。晶閘管-直流電動機調速系統(tǒng)為現代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調速的迅速發(fā)展，交流調速技術越趨成熟，以及交流電動機的經濟性和易維護性，使交流調速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直

4、流調速原理也是交流調速控制的基礎?，F在的直流和交流調速裝置都是數字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。 長期以來，仿真領域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結果的分析也必須依賴有關專家，而對決策者缺乏直接的指導，這樣就大大阻礙了仿真技術的推廣應用。MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以

5、上仿真技術中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數，并且立即可以得到修改后的結果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結果進行分析和可視化。Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現實的非線性問題的模型，如現實世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，可以是機械的、電子的等現實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可

6、對各種現實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產技術的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調速系統(tǒng)。由于直流電機的調速性能和轉矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉變流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現直流調速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現數字化的直流調速，使系統(tǒng)快

7、速性、可控性、經濟性不斷提高。調速性能的不斷提高，使直流調速系統(tǒng)的應用非常廣泛。2帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)仿真原理2.1問題的提出與解決晶閘管-直流電動機系統(tǒng)可以通過調節(jié)晶閘管控制角改變電動機電樞電壓實現調速，但是存在兩個問題，第一，全壓起動時，起動電流大。第二，轉速隨負載變化而變化，負載越大，轉速降落越大，難以在負載變動時保持轉速的穩(wěn)定，而滿足生產工藝的要求。為了減少負載波動對電動機轉速的影響可以采取帶轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)，根據轉速的偏差來自動調節(jié)整流器的輸出電壓，從而保持轉速的穩(wěn)定。2.2帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)原理 直流電動機電樞由三相晶閘管整流電路經平波電抗器L 供

8、電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc 調節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實現直流電動機的調速。在仿真中為了簡化模型，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，直流電動機勵磁由直流電源直接供電。帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)的結構如圖1所示。系統(tǒng)由轉速給定環(huán)節(jié)，放大倍數為的放大器，移相觸發(fā)器CF，晶閘管整流器和直流電動機M,測速發(fā)電機TG等組成。該系統(tǒng)在電機負載增加時，轉速將下降，轉速反饋減小，而轉速的偏差將增大，同時放大器輸出增加，并經移相觸發(fā)器使整流輸出電壓增加，電樞電流增加，從而使電動機電磁轉矩增加，轉速也隨之升高，補償了負載增加造成的轉速降。帶轉速負反饋

9、的直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)定特性方程為 電動機轉速降為 圖1 帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)的結構圖從穩(wěn)定特性方程可以看到，如果適當增加放大器放大倍數，電機的轉速降將減小，電動機將有更硬的機械特性，也就是說在負載變化時，電動機的轉速變化將減小，電動機有更好的保持速度穩(wěn)定的性能。如果放大倍速過大，也可能造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定。3仿真過程3.1電力系統(tǒng)(SIMULINK)工具箱 在MATLAB軟件的SIMULINK仿真工具中，有很多器件庫，電路仿真元件庫SimPowerSystems庫，內部有電源(ElectricalSources)，基本元器件（Elements），特殊元件（Extra Library）

10、，電機（Machines），測量儀表（Measurements），以及電力電子（Power Electronice）六個子庫。根據需要可以組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到有關模塊庫中。 本實驗采用MATLAB 7.0.1版本中模塊庫，其控制子模塊庫中有6脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機子模塊庫中有直流電機模塊，如圖2所示：圖2 六脈沖觸發(fā)器、三相晶閘管整流橋、直流電動機3.2仿真原理圖帶轉速負反饋有靜差調速系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。模型在開環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真原理圖的基礎上增加了轉速給定，轉速反饋n-feed，放大器Gain1和反映放大器輸出限幅的飽和特性模塊Sa

11、turation1，飽和限幅模塊的輸出是移相觸發(fā)器的輸入，其中轉速反饋直接取自電動機的轉速輸出，沒有另加測速發(fā)電機，取轉速反饋系數=Un*/nN。-圖3帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)仿真模型根據實驗原理圖在MATLAB軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。3.3仿真過程331仿真具體步驟a、點擊圖標，打開MATLAB軟件，在工具欄里根據提示點擊，點擊MATLAB ，打開一個對話框，點擊里的newmodel，創(chuàng)建一個新文件。b、點擊工具欄的，打開元器件庫查找新的元器件。C、原件庫如下圖所示圖4原件庫332所用元器件及其參數設置a.三相交流電源A、B、C（Three Phase So

12、urce）圖5 三相電源參數設置設置三相電壓都為220V，兩兩之間相位差為120，分別為0、-120、-240。b6-Pulse Generator圖6cUniversal Bridge普通的橋電路起著過載保護作用，防止電流過大燒壞電機。圖7d DC Machine（直流電動機）直流電動機的運行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機械特性，即轉速-轉矩特性。分析表明，運行性能因勵磁方式不同而有很大差異。F+和F-是直流電機勵磁繞組的連接端，A+和A-是電機電樞繞組的聯(lián)結端，TL是電機負載轉矩的輸入端。m端用于輸出電機的內部變量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機轉速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩四項

13、參數。修改參數電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為0.210.0021，勵磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為146.70，勵磁和電樞互感（Field-armature mutual inductance）為0.84，轉動慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數（Viscous friction coefficient）為0.01，庫侖摩擦轉矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。圖8 直流電機e.Fcn圖9

14、f. Un*圖10g.直流電源圖11 h.放大器，設置放大系數（Gain 1）圖12i.ud1圖13j.Sum圖14k.block圖15l.Saturation圖16m.Ramp圖17n.電感L圖183.2.3設定模型仿真參數，仿真時間5s圖192.1仿真結果由以上原理圖繪制，參數設置，以及波形調試得出以下仿真結果，其波形圖如下所示：以下波形分別為轉速n，電樞電流Ia，勵磁電流If，轉矩Ta） 轉速nUn*=10, Kp=5時轉速響應曲線Un*=10, Kp=10時轉速響應曲線Un*=5, Kp=10時轉速響應曲線Un*=10,Kp=200時轉速響應曲線 b） 電樞電流IaC）勵磁電流If f

15、）轉矩T 3.1仿真分析從上圖仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理論分析的波形。 在額定轉速， 時的轉速響應曲線如圖6a 所示(圖中為 ) ，隨著放大器放大倍數的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉速提高，即穩(wěn)態(tài)轉速降減小。圖6b 所示為時的電流響應波形，從波形可以看到由于沒有電流的限制措施，在起動過程中電流仍很大可達89A 左右。圖7b 所示為1/2 額定轉速時的轉速響應曲線，以 和200 兩種情況比較，在時，穩(wěn)態(tài)轉速降減小但是調節(jié)過程中的振蕩次數增加，這從相應的移相控制信號變化也可以看到相同的情況(見圖7a) ，由于晶閘管整流器控制的非線性，其輸出電壓只能在 范圍內變化，盡管放大倍數很高，轉速還沒有出現嚴

16、重的不穩(wěn)定現象。4.1總結課程設計是把書本上的知識應用到實際生活的一種方式，通過課程設計我們可以更好的掌握課本上的知識，還可以通過查找資料的同時了解一些前沿的技術與產品，對我們的以后學習生活大有裨益。就如這次課程設計，我需要查找很多資料，學習使用matlab這個從未聽說過的軟件，在這過程中，鍛煉了我們自學的能力，檢索資料的能力，分析問題的能力。整流技術作為電力電子中重要的一門技術，應用非常廣泛，我們在書本上得到的只是理論上的系統(tǒng)波形，通過matlab的仿真可以驗證理論的正確與否，加深對自動控制的理解。當用matlab仿真出現理論波形的時候，真的有一種成就感，自信心得到提升。通過本次課設，自己的動手能力得到進一步加強，深刻的體會到