MATLAB與交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真30852課件

MATLAB應(yīng)用技術(shù)王忠禮段慧達(dá)高玉峰編著

4.MATLAB與交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真1MATLAB基本知識(shí)4．1控制系統(tǒng)及控制技術(shù)指標(biāo)與要求4.1.1自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)介紹自動(dòng)控制是指在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象，如機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程中的速度、溫度、壓力等物理量自動(dòng)的按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行或變化的處理過(guò)程。并將這種能對(duì)被控制對(duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)稱(chēng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)是否把系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行反饋并參與控制而將自動(dòng)控制系統(tǒng)又分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。2、動(dòng)態(tài)指標(biāo)⑴跟隨指標(biāo)（2）最大超調(diào)量指輸出響應(yīng)與給定值的最大偏差量Δnmax(t)與給定值nref(t)之比，即（3）調(diào)節(jié)時(shí)間ts調(diào)節(jié)時(shí)間是指輸出響應(yīng)曲線(xiàn)與穩(wěn)態(tài)值之差達(dá)到允許范圍內(nèi)(一般取穩(wěn)態(tài)值的±2%或±5%)所需要的時(shí)間,而且以后不再超出這個(gè)范圍。（4）振蕩次數(shù)N3、抗擾動(dòng)指標(biāo)（1）動(dòng)態(tài)速降動(dòng)態(tài)速降是指擾動(dòng)引起的最大轉(zhuǎn)速偏差（2）恢復(fù)時(shí)間指由擾動(dòng)作用瞬間到輸出量恢復(fù)到允許范圍內(nèi)（一般取穩(wěn)態(tài)值的±2%或±5%）所經(jīng)歷的時(shí)間。（3）振蕩次數(shù)N振蕩次數(shù)N為在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動(dòng)的次數(shù)，它代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力的強(qiáng)弱。4.2直流電動(dòng)機(jī)模型與MATLAB的實(shí)現(xiàn)4.2.1直流電動(dòng)機(jī)介紹直流電動(dòng)機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。由于其帶有機(jī)械換向器，較比交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)運(yùn)行成本較高，并有逐步被交流電動(dòng)機(jī)所取締。但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢(shì)，在軋鋼機(jī)、電力機(jī)車(chē)的等方面有一定的應(yīng)用。同時(shí)由于直流電動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)單，理論基礎(chǔ)厚重，對(duì)電機(jī)學(xué)習(xí)者具有很強(qiáng)的吸引力。直流電動(dòng)機(jī)對(duì)象引入兩個(gè)狀態(tài)變量：，仍然選取輸入量：，輸出量為：

狀態(tài)空間表達(dá)式:4.2.3直流電動(dòng)機(jī)模型在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型形式主要有三種表現(xiàn)形式，包括動(dòng)態(tài)微分方程式或者差分方程式、傳遞函數(shù)或者脈沖傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表達(dá)式，1、直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算已知某直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（在本章中簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)I），控制系統(tǒng)主回路與直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)：主回路：全控橋式整流負(fù)載及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

計(jì)算得到此直流電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)：電勢(shì)常數(shù)：

轉(zhuǎn)矩常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)： 3、直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間表達(dá)式實(shí)現(xiàn)輸出方程

直流電動(dòng)機(jī)1的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

其中，輸入量：，輸出量為：狀態(tài)變量：4、基于電氣原理圖的直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)模型位于SimPowerSystems工具箱下machines庫(kù)中的DCmachines和DiscreteDCmachines分別是直流電動(dòng)機(jī)和離散直流電動(dòng)機(jī)模型F＋和F-:此端子為直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電路控制端子，分別連接勵(lì)磁電源的正極與負(fù)極；A＋和A-:電動(dòng)機(jī)電樞回路控制端；TL：電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸入端；m:電動(dòng)機(jī)信號(hào)的測(cè)試端，包括轉(zhuǎn)速w(rad/s),電樞電流Ia（A），勵(lì)磁電流If（A），電磁轉(zhuǎn)矩Te（N.m）。查看此模型方法是通過(guò)選擇電機(jī)模型，在右鍵彈出式菜單中，點(diǎn)擊Lookundermask，即可實(shí)現(xiàn)。4.3直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)4.3.1直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：可以看出，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有以下三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速；（2）改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)速；（3）改變電樞回路電阻調(diào)速。例：改變電樞回路電阻調(diào)速來(lái)說(shuō)明在MATLAB的實(shí)現(xiàn)（3）斷路器（Breaker）斷路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements庫(kù)里的Breaker模塊（4）調(diào)速電阻（R）調(diào)速電阻選自SimPowerSystems工具箱中的Elements庫(kù)里的seriesRLCbranch模塊，為了說(shuō)明問(wèn)題，兩只調(diào)速電阻都選擇20歐姆（5）斷路器控制信號(hào)（Step）斷路器通斷控制采用階躍信號(hào)與模塊的控制端連接實(shí)現(xiàn)，直流電動(dòng)機(jī)的加速點(diǎn)分別設(shè)置在5秒和10秒時(shí)刻，因此將階躍信號(hào)的跳變點(diǎn)時(shí)間分別為5秒和10秒。（6）其他模塊其他模塊還包括比例模塊、輸入型接地點(diǎn)、輸出型接地點(diǎn)，兩只T型連接器、信號(hào)分離器以及相關(guān)的示波器。3、仿真結(jié)果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形圖電樞電流波形圖電磁轉(zhuǎn)矩波形圖4.3.2開(kāi)環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)與仿真（一）開(kāi)環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成得到系統(tǒng)1開(kāi)環(huán)控制的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（2）開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)2、基于電氣原理圖的系統(tǒng)仿真（1）三相對(duì)稱(chēng)交流電源模型從SimPowerSystems工具箱中ElectricalSources（電源）庫(kù)中選擇ACVoltagesource模塊（2）晶閘管整流器模型從SimPowerSystems工具箱中PowerElectronics(電力電子)庫(kù)選取UniversalBridge(通用橋)模塊（3）直流電動(dòng)機(jī)模型直流電動(dòng)機(jī)模型選取在先前已經(jīng)介紹過(guò)（4）主回路平波電抗器模型從Elements模型庫(kù)中，選取SeriesRLCBranch模型（5）同步脈沖觸發(fā)器模型（7）其他模塊構(gòu)造開(kāi)環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)，還需要用的模塊有：Lconnector（L型連接器）；三個(gè)Constant（常數(shù)模塊）；以及用來(lái)觀測(cè)電機(jī)變量的四個(gè)ToWorkspace（輸出到工作空間模塊），并設(shè)置輸出變量名分別為為w、Ia、If、Te，w參數(shù)設(shè)置如圖。仿真參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)仿真結(jié)果4.3.3直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真1、閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)介紹2、電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)（二）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)舉例已知直流調(diào)速系統(tǒng)I，實(shí)際生產(chǎn)工藝要求如下：系統(tǒng)無(wú)靜差；電流超調(diào)量為在額定負(fù)載下，啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的超調(diào)量系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算固有參數(shù)電勢(shì)常數(shù)：

轉(zhuǎn)矩常數(shù)：

電磁時(shí)間常數(shù)：

機(jī)電時(shí)間常數(shù)：。晶閘管整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：預(yù)置參數(shù)選取轉(zhuǎn)速輸出限幅值：，可以計(jì)算得到晶閘管裝置放大系數(shù)：?jiǎn)?dòng)電流：選取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值：，可以得到電流反饋系數(shù)：選取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)：選取轉(zhuǎn)速最大給定值：得到轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：系統(tǒng)I動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器根據(jù)典型I系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以得到（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的超調(diào)與動(dòng)態(tài)速降均可由抗擾指標(biāo)衡量，而抗擾指標(biāo)以典型II系統(tǒng)為佳，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，按典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取h＝5。設(shè)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為：根據(jù)典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以得到（三）雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真1、基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真仿真參數(shù)選擇，ode23;仿真時(shí)間Starttime設(shè)為0，Stoptime設(shè)為10，其他設(shè)置可以參考開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真設(shè)置。電樞電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出曲線(xiàn)2、基于電氣原理圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真主要的仿真參數(shù)設(shè)定包括，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)常數(shù)為60，積分系數(shù)11.5;電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)1.24，積分系數(shù)為40。仿真算法選擇ode15s。晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置基于電氣原理圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果4.4交流電動(dòng)機(jī)模型與MATLAB實(shí)現(xiàn)4.4.1交流電動(dòng)機(jī)與交流調(diào)速系統(tǒng)介紹目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向可分為以下三大類(lèi)。（1）以節(jié)能為目的的改恒速為可調(diào)速（2）以少維護(hù)省力為目的的取代直流調(diào)速系統(tǒng)（3）直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域從多方面來(lái)看，交流調(diào)速系統(tǒng)完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，并將為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及節(jié)電節(jié)能等方面帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。4.4.2交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理從電機(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：其中，f1為電機(jī)的定子供電頻率；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。因此實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)輸出速度的改變，主要通過(guò)三類(lèi)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)、變化轉(zhuǎn)差率以及改變供電頻率。目前常見(jiàn)到的具體實(shí)現(xiàn)調(diào)速方案有：變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及變頻調(diào)速等。4.4.3交流電動(dòng)機(jī)模型在Malab中的實(shí)現(xiàn)為了簡(jiǎn)化交流電機(jī)的建模復(fù)雜工作，MATLAB推出的SimPowerSystems工具箱中定制封裝了系列電機(jī)模型，當(dāng)然包括在先前介紹的直流電機(jī)模型。SimPowerSystems工具箱中的交流電機(jī)模型位于Machines庫(kù)中，主要包括AsynchronousMachinepuUnits（標(biāo)么值單位制的異步電動(dòng)機(jī)）、AsynchronousMachineSIUnits（國(guó)際單位制的異步電動(dòng)機(jī)）、PermanentMagnetSynchronousMachine（永磁式同步電動(dòng)機(jī)）、SimplifiedSynchronousMachinepuUnits（標(biāo)么值單位制的簡(jiǎn)化同步機(jī)）、SimplifiedSynchronousMachineSIUnits（國(guó)際單位制的簡(jiǎn)化同步機(jī)）等。在本章采用國(guó)際單位制的異步電動(dòng)機(jī)－AsynchronousMachineSIUnits。下面以國(guó)際單位制的異步電動(dòng)機(jī)為例介紹。異步電動(dòng)機(jī)模型其電氣連接和功能分別為：A，B，C：交流電機(jī)的定子電壓輸入端子；Tm：電機(jī)負(fù)載輸入端子，一般是加到電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載；a,b,c:繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子輸出電壓端子，一般短接，而在鼠籠式電機(jī)為此輸出端子；m:電機(jī)信號(hào)輸出端子，一般接電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器觀測(cè)電機(jī)內(nèi)部信號(hào)，或引出反饋信號(hào)。異步電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)置Rotortype:轉(zhuǎn)子類(lèi)型列表框，分別可以將電機(jī)設(shè)置為繞線(xiàn)式（Wound）和鼠籠式（Squirrel－cage）兩種類(lèi)型；ReferenceFrame：參考坐標(biāo)列表框，可以選擇轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（Rotor）、靜止坐標(biāo)系（Stationary）、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Synchronous）；Nom.power,L-Lvolt,andfred.[Pn(VA),Vn(Vrms),fn(Hz)]:額定功率（VA），線(xiàn)電壓（V），頻率（赫茲）；Stator[Rs(ohm)Lls（H）]：定子電阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）；Rotor[Rr’(ohm)Lls’（H）]：轉(zhuǎn)子電阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）；MutualinductanceLm（H）：互感Lm(H);Intia，frictionfactorandpairsofpoles[J(kg.m^2)]:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[J(kg.m^2)]，摩擦系數(shù)和極對(duì)數(shù);Initialconditions[s()th(deg)isaisbisc(A)]：初始條件包括：初始轉(zhuǎn)差s，點(diǎn)角度phas,phbs,phcs（deg）和定子電流isaisbisc(A)電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器模塊電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器參數(shù)設(shè)置ir_abc:轉(zhuǎn)子電流ira,irb,irc;ir_qd:同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_d；phir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_d；vr_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_d；is_abc：定子電流isa,isb,isc;is_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子電流is_q和d軸下的定子電流is_d；phir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子磁通phis_q和d軸下的定子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子電壓vs_q和d軸下的定子電壓vs_d；wm：電機(jī)的轉(zhuǎn)速wm；Te：電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Te；Thetam：電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移Thetam。4.5異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB實(shí)現(xiàn)4.5.1異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程：為電機(jī)的極對(duì)數(shù)

為定子電源頻率；為定子電源相電壓；為折算到定子側(cè)的每相轉(zhuǎn)子電阻

為每相定子電阻

為每相定子漏感

為折算到定子側(cè)的每相轉(zhuǎn)子漏感

S為轉(zhuǎn)差率4.5.2異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)4.5.3基于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要包括速度閉環(huán)，脈沖觸發(fā)器、三相調(diào)壓器，被控交流異步電動(dòng)機(jī)等組成。三相調(diào)壓器由三對(duì)并聯(lián)的晶閘管元件組成，采用相位控制方式，利用三相交流電源自然環(huán)流實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。觸發(fā)脈沖的順序?yàn)閂1－V2－V3－V4－V5－V6，其中V1－V3－V5之間和V4－V6－V2之間互差120度，V1－V4之間、V3－V6之間、V5－V2之間互差180度。異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型其中主要參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器Kp為40，Ki為200；反饋參數(shù)K選擇為：20；限幅器限幅值：[150-30]；.仿真參數(shù)設(shè)置：仿真算法選擇為ode23tb，仿真時(shí)間0－5秒，其他為默認(rèn)值。系統(tǒng)的給定和轉(zhuǎn)速輸出曲線(xiàn)4.6異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB實(shí)現(xiàn)4.6.1異