直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真(課程設計作業(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上運動控制系統(tǒng)課程設計 班級 自動化0802 姓名 王 有 錄 學號 摘要 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎上，本文設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指

2、標進行了實驗測試，表明所設計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行計算機輔助設計，并用SIMULINK進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。關鍵詞 直流電機 直流調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) 仿真Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and DC motor

3、has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with

4、 double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. Afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. Then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink. The results of simulation a

5、re consistent with theory calculation. Some experience was acquired through simulation. Based on the theory and simulation, this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit.

6、The results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the requirements.Computer-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using TOOL BOX and SIMULINK.Keywords DC

7、 motor, DC governing system, speed governor, current governor, double loop control system, simulink 目錄摘要Abstract一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型二、系統(tǒng)設計方法及步驟1、系統(tǒng)設計的一般原則2、電流環(huán)設計（1）確定時間常數(shù)(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)(3) 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)(4) 校驗近似條件3、轉(zhuǎn)速環(huán)設計(1) 確定時間常數(shù)(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)(

8、3) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)(4) 校驗近似條件三、Matlab和Simulink簡介四、Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析1、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2、單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真3、單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真4、單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真5、單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真6、單閉環(huán)電壓負反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真7、單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)定量仿真8、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)定量仿真9、三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真五、V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖六、總結(jié)參考文獻 一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1、雙閉環(huán)直流調(diào)

9、速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度

10、調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應變化,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行。2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖11所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器U

11、PE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，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)。圖11 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機 TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性圖12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話

12、說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時,轉(zhuǎn)速負反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負載電流達到Idm時,對應于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim* ,這時,電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動保護.這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段

13、實際上都略有很小的靜差，見圖13中虛線。圖13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關內(nèi)容。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓Ua0的關系為：其中：A-整流器系數(shù)； -整流器輸入交流電壓； -整流器觸發(fā)角；-觸發(fā)器移項控制電壓；K-觸發(fā)器移項控制斜率；整流與觸發(fā)關系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K=Ua0Uct。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖二、系統(tǒng)設計方法及步驟1、系統(tǒng)設計的一般原則: 概念清楚、易懂； 計算

14、公式簡明、好記； 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式； 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。參數(shù)： 2、電流環(huán)設計（1） 確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)：Ts=0.0017s。電流反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和：Ti=Ts+Toi=0.0037s。（2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求：i5%，保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設計成PI型的。檢查對電源電壓的抗擾性能:TlTi0.030.00378.11，各項指標都可接受。所以電流調(diào)節(jié)

15、器傳遞函數(shù)為：WACRs=Ki(is+1)is。 （3） 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=LR=0.03s。電流反饋系數(shù)：=1.35。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，取KITi=0.5，因此 KI=0.5Ti=0.50.0037s-1=135.1s-1 ， 所以，Ki=KIiRKs1.013 。 因此：WACRs=1.013(0.03s+1)0.03s（4） 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件 13Ts196.1s-1>ci 滿足近似條件 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 31TmTl40.82s-1

16、<ci 滿足近似條件 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 131TsToi180.8s-1>ci 滿足近似條件（5） 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40K ，各電阻和電容值計算如下： Ri=KiR0=40.5K 取40K Ci=iRi=0.75F 取0.75F Coi=4ToiR0=0.2F 取0.2F按上述參數(shù)，查表知，電流環(huán)可達到動態(tài)跟隨性能指標： i=4.3%<5% 滿足設計要求3、轉(zhuǎn)速環(huán)設計（1） 確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)：1KI=2Ti=0.0074s轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：Ton=0.01s。轉(zhuǎn)速換小時間常數(shù)：Tn=1KI+Ton=0.0174s 。（2）

17、 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設計PI調(diào)節(jié)器。所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：WASRs=Kn(ns+1)ns。（3） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為： n=hTn=0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： KN=h+12h2Tn2=396.4s-2轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007于是求的ASR的比例系數(shù)為： Kn=(h+1)TmCe 2hRTn=11.7因此：WASRs=11.7(0.087s+1)0.087s

18、（4） 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 cn=KN1=KNn=34.5s-1 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 13KITi63.7s-1>cn 滿足簡化條件 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 13KITon38.7s-1>cn 滿足簡化條件 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量額定穩(wěn)態(tài)速降nN=IdNRCe，當h=5時， 查表得CmaxCb= 81.2% ，負載系數(shù)Z=0。轉(zhuǎn)速超調(diào)量：n=2CmaxCb-znNn*TnTm8.31%<10%能滿足設計要求。（5） 計算調(diào)節(jié)器電容和電阻調(diào)節(jié)器輸入電阻 R0=40K ，則 Rn=KnR0=468K 取470KCn=nRn=0.185F 取0.185F Con=4To

19、nR0=1F 取1F三、Matlab和Simulink簡介1、Matlab簡介MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了

20、一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。2、Simulink簡介（1）簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和的復雜仿真和設計。同時有大量的和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。（2）功能Simulink是MATLA

21、B中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個，被廣泛應用于、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)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，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)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink&reg;是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的

22、設計工具。對各種，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。. 構(gòu)架在Simulink基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB&reg; 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理的創(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。 （3）特點 豐富的可擴充的預定義模塊庫 。 交互式的圖形來組合和管理直觀的模塊圖。 以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理

23、。 通過Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。 提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成 。 使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法 。 使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型。 圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設計的性能和異常行為 。 可訪問MATLAB從而對結(jié)果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù) 。 模型分

24、析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。四、Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析1、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：王有錄31開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：分析：轉(zhuǎn)速只能通過給定值進行調(diào)節(jié)，無法通過實際轉(zhuǎn)速進行必要的調(diào)節(jié)，抗擾作用很弱。不能通過自身調(diào)節(jié)達到給定值。2單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：王有錄31單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)速電流分析：圖中是Kp=3.11的仿真圖形，Kp減小，超調(diào)量隨著減小，但靜差越大；Kp增大，靜差隨著減小，但還是很大，同時振蕩也越劇烈。3、單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)

25、速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：王有錄31單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：Kp=0.56，1=3轉(zhuǎn)速Kp=1.6，1=8轉(zhuǎn)速分析：若調(diào)節(jié)器參數(shù)是：K_p=0.56， 1/=3，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的響應無超調(diào)，但調(diào)節(jié)時間很長；若是：K_p=1.6， 1/=8，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的響應的超調(diào)較大，但快速性較好。和比例調(diào)節(jié)器相比，比例積分調(diào)節(jié)器能很好的消除靜差。4、單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：王有錄31 單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：分析：可見加入電流截止負反饋，有效地解決啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題。且只在電樞電流超過一定值時才起作用，小于一定值時，電流隨負載正常變化。5、單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：王有錄31單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：分析：在電動機轉(zhuǎn)速不是很低時，電樞電阻壓降比電樞端電壓要小的多，因此可以認為，直流電動機的反電勢與端電壓近似相等，也就是，電機轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比。采用電壓檢測元件檢測直流電動機的端電壓，以此來替代轉(zhuǎn)速負反饋，從而形成電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)。6、單閉環(huán)電壓負反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)電壓負反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：王有錄31單閉環(huán)電壓負反饋和帶電流正反饋調(diào)速