（机械工程专业论文）基于matlab的直流电机调速系统性能仿真研究.pdf

摘要 仿真对于控制系统的分析、设计和验证具有重要的意义，使用m a t l a b 编程语言及其 s i m u l i n k 工具箱可以进行控制系统的仿真。作者借助于m a t l a b7 0 软件，对一些典型的直流 电机控制系统进行了仿真研究，实现了不同模型的动态仿真，对系统作了稳态和动态性能指标分 析。对同一种直流电机调速系统，可以采取纯由传递函数模块搭建系统模型仿真、基于电气原理 图结构搭建混合模块的系统模型仿真和编程仿真，并阐述了各种方法的特点。 对数字p i d 控制算法进行了设计，包括简单的数字p i d 控制算法和不完全微分式、积分分离 式两种改进的数字p i e ) 控制算法。研究了利用仿真手段整定计算机控制直流电机系统的采样周期 和p i d 参数的方法，以获得优良的系统调速性能。 关键词：m a t l a b ：仿真；直流电机；调速；p i d a b s t r a c t t h es i m u l a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oa n a l y z e ，d e s i g na n dv a l i d a t et h ec o n t r o ls y s t e m t h e s i m u l a t i o no fc o n t r o ls y s t e mc a nb ec a m e do u tt h r o u g hu s i n gm a t l a bp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n d m a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x t h es t u d yo nac o u p l eo ft y p i c a ld cc o n t r o ls y s t e m sw i t hm a t l a b7 0 h a sb e a nc a r r i e do u tb yt h ea u t h o r , a n dt h es y s t e ms i m u l a t i o nb a s e do nd i f i e r e n tm a t t , a bm o d d sh a s b e e nr e a l i z e d ，i n c l u d i n gt h es i m u l a t i o no f t b es y s t e mm o d e lw h i c hi sp u r e l yc o n s t r u c t e db yt h et r a n s f e r f u n c t i o nb l o c k s ，t h es i m u l a t i o no ft h es y s t e mm o d e lw h i c hi sm a d eu po fh y b r i ds i m u l i n kb l o c k sa n d t h es i m u l a t i o no f t h es y s t e mm o d e lc o m i n gf r o mm a t l a bp r o g r a m m i n g , a n dt h ef e a t u r e so f t h ea b o v e w a y sa r ei l l u s t r a t e d 。t h ea n a l y z eo fd y n a m i ca n ds t a b l ep e r f o r m a n c ea n di n d e xo ft h e s ed cm a c h i n e c o n t r o ls y s t e m si sa l s od o n ei nt h i ss t u d y m o r e o v e r , t h es i m u l a t i o ns t u d yo nd i g i t a lp i dc o n t r o l l e dd cc o n t r o ls y s t e m si sa l s od o n ei nt h i s r e s e a r c h ，i n c l u d i n gt h es i m u l a t i o no fs i m p l ed i g i t a lp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h es i m u l a t i o no fp a r t i a l d i f f e r e n t i a la n di n t e g r a ls e p a r a t i o n , t w ok i n d so fi m p r o v e dd i g i l a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m s t h em e t h o d o f t u n i n gb ys i m u l a t i o nt h es a m p l i n gt i m ea n dt h ep i dc o n t r o lp a r a m e t e r s 0 fd i g i t a ld cc o n t r o ls y s t e m i ss t u d i e dt oo b t a i ng o o ds p e e dr e g u l a t i o np e r f o r m a n c e 。 k e yw o r d s ：m a t l a b ；s i m u l a t i o n ；d em a c h i n e ；s p e e dr e g u l a t i o n ；p i d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：嘶时间：0 一年1 1 月甜日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：l 獬时间：矽。g 年一月) 咱 导师签名：乞揪二萝 时间：f ；年fl 尾奴日 中国农业大学硕卜学位论文 第一章绪论 i i 1 1 概述 第一章绪论 直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。在许 多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制 技术的角度来看，又是近年发展迅速的交流调速系统的基础。目前直流调速系统仍然是自动调 速系统的主要形式。特别是基于数字采集和计算机控制的直流调速系统得到了越来越广泛的应 用，在这种系统中，控制算法直接影响到控制系统的性能。 m a t l a b 软件由于其强大的功能，早已被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中， 成为一种必需的工具。使用m a t l a b 软件对各种直流调速系统进行仿真分析和设计，可以大大 缩短控制系统的算法设计开发周期。 直流调速系统仿真研究的内容包括系统的建模、性能分析、算法设计和优化参数等几个方面。 算法设计是仿真的一项重要应用。研究者们可以通过仿真实现各种算法的控制器设计，如采用p i d 调节器控制的直流调速系统设计1 1 l ，将积分校正网络算法应用于直流电机控制器的设计例和应用 于直流电机自动跟踪系统中的自校正积分分离p i d 控制算法设计p j ，等等 利用仿真还可以优化系统参数。如对于晶闸管直流电动机调速系统，可以通过仿真确定平波 电抗器的最佳值，以获得最好的电机电流响应特性。1 4 j 就直流调速系统的m a t l a b 建模方式而言。主要有三种类型，即主要基于系统传递函数建 模、面向电气原理图结构建模和编制m a t l a b 语言源程序建模。其中前两种是在 m a n a b s i m u l i n k 集成环境下建模，这几种方式各有特点。 研究者大多使用主要基于系统传递函数的建模方式。这种方式建模依据系统各部分的传递函 数直接建模，运行仿真的时间一般很短，往往在一两秒之间即出结果，非常快捷。 近年周渊深博士h 依据m a t l a b s i m u l i n k 工具箱中的各种仿真模块，首次提出一种叫做面 向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法，以此进行各种交直流调速系统的仿真。该方法由 于使用了s i m u l i n k p o w e rs y s t e m 工具箱中的电力模块，所以搭建的仿真模型正如其名称，与系统 的电气原理图结构相似，很直观；但系统模型规模较大，仿真时间较长。 性能分析是仿真工作的重要内容。利用m a t l a b 可以比较方便地实现各种系统的性能分析。 p - 6 ，7 - b ，卿 通过m a t l a b 来研究采用无刷直流电动机的直流调速系统，是近年来的一个研究热点。由 于无刷直流电动机的特点和在计算机外围设备，仪器仪表和伺服系统等领域的应用，有关这方面 的仿真研究很多。i j “1 在直流电动机模型的建模方面，除了以传递函数表示的数学模型进行建模和使用s i m u l i n k 下的直流电动机模型以外，有研究者建立了一种新的模型，这种模型是考虑了直流电动机运行在 零速度附近时产生的非线形摩擦所带来的影响而建立的，由于这种直流电动机模型更精确，因而 更加有利于今后控制器的设计与调试。l l 础 中同农业大学硕卜学位论文第一章绪论 综上所述，由于m a t l a b 软件能够很好地对直流调速系统进行仿真，因此在本课题中。本 人将利用m a t l a b 特别是m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，构建直流调速系统的仿真模型，对其仿真 实现、性能分析和算法设计等方面继续作深入而全面的研究。 在研究方法上，考虑到上述提到的几种仿真方式的特点，进行多种方式的对调速系统的仿真 研究，是会使我们的研究工作富有灵活性从而为我们带来便利的。因此，：在本课题中，采用了多 种仿真方式来研究各类直流调速系统。 1 2 研究的目标与内容 】研究目标： 通过仿真，深入研究直流调速系统的性能，开发新的控制算法。 2 主要内容： ( 1 ) 利用m a t l a b 软件进行直流调速系统仿真，深入研究单闭环与双闭环等控制系统的 动态特性； ( 2 ) 利用仿真手段对直流调速系统进行动态和稳态性能分析； ( 3 ) 构建含有扰动的交流电源模型子系统，以实现对系统的电源扰动性能分析； ( 4 ) 基于m a t l a b ，设计数字p i d 控制算法。 2 中同农业大学硕仁学位论文第二章m a t l a b 软件及其在拧制系统中的仿真 第二章m a t l a b 软件及其在控制系统中的仿真 2 1 计算机仿真技术概述 计算机仿真在经历了半个多世纪的飞速发展后，迄今已发展成为一种真正的、系统的实验科 学，并且在航空、航天等众多领域显示了巨大的社会效益和经济效益。 1 计算机仿真基本概念 计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的技术与方 法。 模型：模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统特征与变化规律 的一种定量抽象。是人们认识事物的一种手段或工具。模型可以分为物理模型、数学模型和仿真 模型。 计算机仿真分类：可分为模拟仿真、数字仿真、混合仿真和现代计算机仿真。目前主要采用 的是现代计算机仿真，特征是采用先进的微型计算机，使用专用的仿真软件、仿真语言来实现， 其数值计算功能强大。易学易用。它是在2 0 世纪8 0 年代发展起来的，是当前主流的仿真技术与 方法。 计算机仿真应用：计算机仿真在目前有着广泛的应用。而且应用的深度和广度也越来越大， 主要应用在航空与航天工业、电子与电力工业、原子能工业和非工程领域如医学、经济学等方面。 计算机仿真技术的应用意义：计算机仿真技术具有重要的意义，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 经济。大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，而采用仿真实验成本很低，而且设备可 以重复使用。 ( 2 ) 安全。采用仿真实验可以可以有效地降低对某些系统进行直接实验的危险程度，对系统的 研究起到保障作用。 ( 3 ) 快捷。提高设计效率，如电路设计，服装设计等。 “) 具有优化设计和预测的特殊功能。对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困 难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能；而且通过仿真技术与方法的应用可以获得对系 统的某种超前认识。 2 自动控制系统仿真 自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支。控制系统的计算机仿真是- - 1 3 涉及到控制理 论、计算数学和计算机技术的综合性新型学科。它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为 工具，对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型代替实际系统进行实验和研究，而 计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型，可以通过计算机仿真来研究 被仿真系统的工作特点、选择最佳参数和设计最合理的系统方案。随着计算机技术的发展，计算 机仿真越来越多地取代纯物理仿真，它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制 系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。 3 自动控制系统计算机仿真基本过程 3 中国农业大学硕卜学位论文 第二章m a t l a b 软件及其存控制系统中的仿真 自动控制系统仿真包括以下几个基本步骤：问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析，其 流程如图2 一l 所示。 图2 1 计算机仿真流程图 随着计算机技术的发展与进步，计算机仿真技术今后也将得到进一步的发展，诸如系统仿真 速度的有效提高等等。计算机仿真技术在今后的发展将在硬件、应用软件、分布式数字仿真和虚 拟现实技术几个方面得到体现。p 3 1 2 2 m a t l a b 简介 m a ! 几a b 是m a l h w o r k s 公司于1 9 8 4 年推出的数学软件，是一种用于科学工程计算的高效率 的高级语言。m a 凡a b 的含义是“矩阵实验室”( m a r xl a b o r 砒o r y ) ，主要向用户提供一套非常 完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变，它逐渐发展成为各种系统仿真、数字信号处理、科 学可视化的通用标准语言由于m a t l a b 软件完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 m a 了l a b 在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在m a t l a b 的主要应用方向一一科学计算、 建模仿真及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。 m a t l a b 具有其他高级语言难以比拟的一些优点，如编写简单、编程效率高、易学易懂等， 因此m a t l a b 语言也被通俗地称为演算纸式的科学算法语言与b 觞i c ，f o 栅，c c + + 等语言相 4 中国农业大学硕 学位论文 第二章m a t l a b 软件及其存柠制系统中的仿真 比，m a n b 的语法更筒单，更贴近人的思维方式。 m a l la b 由主包和功能各异的工具箱组成，其基本的数据结构是矩阵。 2 0 0 4 年7 月，m a t h w o r k 公司推出了最新版的m a t l a br 1 4 版本，该版本集成了最新的 m a t l a b7 编译器、s i m u l i n k6 0 图形仿真器及很多工具箱，增加了很多新的功能和特性，内容 相当强大，针对编程环境、代码效率、数据可视化、文件i o 等方面都进行了全面的升级。【1 4 j 2 3 嗽t l a b 在控制系统中的仿真功能和意义 在控制系统仿真初期，往往需要仿真技术人员自己用b a s i c 等语言去编写数值计算程序， 即便想求得系统的阶跃响应数据并绘制阶跃响应曲线这样一个简单的问题也需要花费很多的时 问用于编写求解微分方程的子程序和绘图子程序；并且由于没有纳入规范。往往不能保证求解结 果的正确性。 m a t l a b 的闯世，特别是其包含的控制系统工具箱和s i m u l i n k 工具箱，给控制系统的分析 和设计带来了极大的方便，软件版本发展至今已经愈发完善。 随着m a t l a b 软件的不断升级以及功能强大的t o o l b o x 的出现，m a t l a b 将成为自动控 制系统计算与仿真的一个越来越强有力的工具，使控制系统的计算与仿真较传统方法发生革命性 的变化，m a t l a b 正成为国内外控制领域内最流行的计算与仿真软件。 m a t l a b 在控制系统的分析和仿真方面，既功能强大又灵活多样。使用m a t l a b 既可以以 系统的传递函数为基础，使用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱搭建系统模型对其进行仿真研究；也 可以编制系统的m a t l a b 语言程序，通过执行程序而得到仿真结果：还可以在由s i m u t i n k 模块 搭建的系统模型中嵌入m a t l a b 函数进行仿真，非常灵活。 2 4 控制系统仿真中常用的函数介绍 下面我们择其主要介绍一些m a t l a b 函数，因为这些函数在使用编程的方式进行控制系统 的仿真时会经常用到。 i g = t f ( n u m ，d e n ) 建立传递函数模型。h u m 是分子多项式系数行向量，d e n 是分母多项式系数行向量。 2 n u m ，d e n = s e r i e s ( n u m l ，d e n l ，1 1 1 1 1 1 1 2 ，d e n 2 ) 表示将串联连接的两个单输入单输出系统0 l ( s ) 和g 2 ( s ) 的传递函数进行相乘。 3 n m ，d e n = f e e d b a c k ( a u r a i , d e n i , n u m 2 ，d e n 2 ，s i g n ) 表示将两个系统按反馈方式连接，一般而言，系统1 为对象，系统2 为反馈控制器。s i g n 用 来指示系统2 输出到系统1 输入的连接符号，s i g n 默认为负值，即s i g n = - - i 4 n u m c ，d e n c = c l o o p ( n u m ，d e n ，s i g n ) 表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统s i g n 的意义与上述相同。注意这里的闭环连接 指的是通常意义下的单位反馈连接，因这种连接在实际中大量存在。 5 s y s d - - - - e 2 d ( s y s o ， i s ，m e t h o d ) 中同农业大学硕卜学位论文第二帝m a t l a b 软件及其布拧制系统中的仿真 i i i i 连续时间l t i 系统模型转换成离散时间系统模型，t s 是采样周期。 6 s v s c = d 2 c ( s y s d ，m e t h o d ) 第5 、6 两个函数中的m e l h o d 表示转换是选用的变换方法，鲡其值为z o h ，表示对输入 信号加零阶保持器；如为f o h ，表示对输入信号加一阶保持器：如为t u s t i n ，表示采用双线 性变换方法；等等。 2 5s i m u lin k 主要的仿真模块介绍 1 d c m a c h i n e 模块 模块符号如图2 2 所示。 小灭 - q 如卜a 一7 1q0 女广- 一 d cm c i i i n t 圈2 - - 2o cm a c h i n e 横块符号 下面我们对d cm a c h i n e 模块的结构作一个剖析，因为通过了解其结构，可以决定我们对 m m a t l a b s i m u i i n k 模型仿真的信赖程度。限于论文篇幅，本节所提到的所有s i m u l i n k 模块， 我们有选择性地作一下较为的详细介绍。d cm a c h i n e 模块组成结构为图2 3 所示。 一4 。 d 一一 a + 0 时，该模块工作在电动机模式； t et l t i ，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即 n = k ( i + t m s ) u d ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 当电枢突加给定电压时，转速n 将按指数规律上升，当n 到达6 3 2 稳态值时，所经过的时 间即为拖动系统的机电时间常数。 测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。 从零开始调节u c ，将电机空载起动至稳定转速1 0 0 0 r m i n 。然后保持u c 不变，断开主电路 开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压。用光线示波器拍摄过渡过程曲 线，即可由此确定机电时间常数。 ( 7 ) 测速发电机特性u t g = f ( n ) 的测定 电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压u c ，分别读取对应的u t g ，n 的数值若干 组，即可描绘出特性曲线u t o = f ( n ) 3 4 单环有静差转速负反馈调速系统的建模和仿真 3 4 1 单环有静差转速负反馈调速系统的原理图 单环有静差转速负反馈调速系统的原理图如图3 3 所示。 图中，u ：是给定电压，t g 是测速发电机，u 。是转速反馈电压。 1 8 中国农业大学硕卜学位论文 第三章直流调速系统中 能的仿真分析 i 图3 - - 3 单环有静差转速负反馈调速系统的原理图 主+ 根据图3 - - 3 的原理图所展现的调速系统结构，我们来研究在m a t l a b s i m u l i n k 下如何搭建 系统的仿真模型。 3 4 2 单环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型 1 系统的建模和模型参数设置 ( 1 ) 主电路的建模和参数设置 三相对称交流电压源的建模和参数设置； 三相交流电压源采用交流电压源模块进行建模。a 相交流电源的参数设置为幅值2 2 0 v 、初 相位0 0 、频率5 0 赫兹，b 、c 两相的参数设置为和a 相的初相位互差1 2 0 0 即可。 晶闸管整流桥的建模和参数设置： 晶闸管整流桥选取“u n i v e r s a lb r i d g e ”模块进行建模。桥臂数设为3 ，电力电子元件选择晶 闸管。参数设置的原则是：如果是针对某个具体的变流装置进行参数设置，对话框中的各个参数 如r o n ( 内阻) 等应取该装置中晶闸管元件的实际值；如果是一般情况，不针对某个具体的变流 装置，这些参数可先取默认值进行仿真。若仿真结果理想，就可认可这些设置的参数：若不理想 则可通过仿真实验，不断迸行参数优化，直至获得理想的参数值为止。这一参数设置原则同样适 用于其它环节的参数设置。 平波电抗器的建模和参数设置： 平波电抗器选取“s e r i e sr l cb r a n c h ”模块进行建模，参数设置如下： r e s i s t a n c er ：( 0 ) o h m s ； i n d u o a n c el ：5 e 0 3 ( h ) ： c a p a c i t a n c e ：i n f ( f ) 。 平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较后得到的优化参数。 直流电动机的建模和参数设置。 1 9 中圉农业大学硕 - 学位论文 第三章直流调速系统件能的仿真分析 直流电动机选取“d cm a c h i n e ”模块进行建模，电动机经t l 端口接恒转矩负载，输出参数 有转速、电枢电流i 。( 即l d ) 、励磁电流i t 和电磁转矩t c ，分别通过“示波器”模块观察仿真 输出和用“o u t l ”模块将仿真输出信息返回到m a t l a b 命令窗口，之后用绘图命令p l o t ( t o u t ， y o u r ) 在m a t l a b 命令窗口里绘制出输出图形。电动机的默认参数设置如图2 一l o 所示。 同步脉冲触发器的建模和参数设置： 同步脉冲触发器采用同步六脉冲触发器“s y n c h r o n i z e d6 - p u l s eg e n e r a t o r ”模块进行建模，其 参数设置对话框如图2 一1 2 所示。 控制电路的建模和参数设置 单环有静差转速负反馈调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度反馈、限幅器等 环节组成，为了能使同步脉冲触发器正常工作，增加了偏置和反向器等模块。 给定信号模块的参数设置为1 2 0 r a d s ；速度调节器采用比例调节器，系数选择为l o ，它通过 仿真优化而得。 将主电路和控制电路的仿真模型按照单闭环转速负反馈调速系统电气原理图的连接关系进 行模型连接，即可得到图3 4 所示的系统仿真模型。 4 1 i1 上 圈3 4 单环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型 2 系统的仿真参数设置 仿真中选择算法为o d e 2 3 s ：仿真s t a r tt i m e 设为0 ，s t o pt i m e 设为2 。 2 0 中国农业大学硕卜学位论文第三章直流调速系统件能的仿真分析 3 系统的仿真及仿真结果的输出 当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。 图3 5 为单环有静筹转速负反馈调速系统仿真后的电流曲线和转速曲线。 图3 5 单环有静差转速负反馈调速系统的电流曲线和转速曲线 可以看到，这个仿真结果转速曲线与开环系统相比是有较明显的改善的，过渡过程时间大为 缩短，不足0 4 秒；而开环直流调速系统的上升时间一般达数秒( 比如5 秒) 以上 4 调试方法和过程 单环有静差转速负反馈调速系统的调试方法比较简单，只需通过仿真整定比例调节器即可。 调试时将比例系数k f 由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应 曲线即可 5 性能指标分析 ( 1 ) 稳态性能指标分析 稳态性指参数给定值空载转 负载t l ( n 曲 转速降落4 n静差率s调速范围d ( t a d s ) 速n o ( r m i n ) ( = 4( = n m a x n m i n ) ( r r a i n ) n n 0 ) 数值1 2 0l 55 0 4 0 0 0 4 2 5 8 从表3 1 中可见，在给定值为1 2 0 ( r a d s ) ，空载转速为1 0 3 5 ( r m i n ) 的情况下，突加 t l = 5 0 ( n m ) 的负载时，转速降落和静差率均较小，而调速范围很大。 ( 2 ) 动态性能指标分析 跟随性能指标分析 跟随性指参数上升时间t r ( s ) 超调量o 调节时间t s ( s ) 数值0 2 8 1 4 硼= 0 4 3 从表3 2 中可见，此单环有静差转速负反馈调速系统的上升时间和调节时间均较短，但超 调量较大，超过1 0 。 2 1 中国农业大学硕卜学位论文 第三章直流调速系统性能的仿真分析 抗扰性能指标分析 负载扰动对调速系统性能产生的影响。 为了研究由于负载转矩t l 的变化对系统性能的影响，需要将代表t l 的模块由原来的 “c o n s t a n t ”( 常数) 模块换为“s t e p ”( 阶跃信号) 模块。系统模型如图3 - - 6 所示。图中的“s t e p ” 模块已将名字由原先的“s t e p ”更改为“t lf r o a5 0t o1 0 0 ”。 h _ 甘 简氢 7 r 殷 讣 毯誊淘一 ) u e br 匈 b a i ) l u 目g 广芦曰、 0 3 蝗臣 b c 广1m ； - jl- r jl 衔；野涟 l 、a ，a 掣一i t c h s y n c h r o n m d ii 土 图3 - - 6 带有负载扰动的单环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型 仿真时间设为2 秒，产生负载扰动的时刻为1 5 秒。运行仿真后缛到的、l a 和t e 的曲线如 图3 7 所示。 从仿真结果响应曲线上可以直观地看到n 、i d 和t e 由于负载扰动所产生的变化，其中转速n 的变化因很小。故而表现不明显。在本节最后。我们将同时对该系统作电源扰动和负载扰动的数 据分析，并将分析结果列于后面的表3 3 中。 电源扰动对调速系统性能产生的影响 含有扰动的交流电源的实现 研究电源扰动相对于负载扰动要比较困难，因为在调速系统的仿真模型中如何给电源施加扰 动是个问题。上述系统模型采用的都是固定的三相交流电源，无法施加扰动。为此想到了s i m u l i n k 中的受控的电压源模块( c o n t r o l l e dv o l t a g es o i l r c e ) ，如图3 - - 8 所示。 中国农业大学硕十学位论文 第三章直流调速系统忭能的仿真分析 图3 - - 7 带有负载扰动的单环有静差转速负反馈调速系统性能产生的影响 h i , o i l e dv o l t a q e $ o u r 伪 图3 8 受控的电压源模块 该模块既可作交流电压源，又可作直流电压源使用。可以通过在其设置对话框中的“s o u r c e t y p e ”一项中选择“a c ”或“d c ”来决定。 虽然有了受控电源，然而却不能直接用作一个可以在某个时刻产生扰动的电源。对此问题， 本人经过了较长时间的探索，终于找到了一种解决方法，即通过使用受控电源、选择开关模块和 一种名为“s i n ew a v e ”( 正弦波) 的模块以及其它模块组合构建一个新的模型，可以很好地实现 具有扰动的交流电源。1 1 1 模型如图3 9 所示。 围3 - 9 含有扰动的2 2 0 v ，频率为5 0 h z ，初相位为0 度的正弦交流电源模型 我们以构造一个幅值为2 2 0 v ，频率为5 0 h z ，初相位为0 度的含扰动正弦交流电源为例，对 该模型作一下解释。 “s i n ew a v e ”模块是用以输出正弦波电压的，模型中采用了两个这样的模块。左上面的一 个，我们将其设置为“a m p l i t u d e ”( 幅度) 为2 2 0 v ，“f r e q u e n c y ”( 频率) 为2 p 1 5 0 ( 角频率) 中国农业大学硕士学位论文 第三章直流调速系统性能的仿真分析 r a d s ，“p h a s e ”( 初相位) 为0 ( 弧度) 。 左边中间的“s i n ew a v e ”模块作为扰动电源，我们将其设置为幅度为3 0 v ，频率为 2 p i * 5 0 r a d s ，初相位为0 ( 弧度) 。 “c o n t r o l l e dv o l t a g es o u r c e ”模块：必须在其设置对话框中选择“i n i t i a l i z e ”( 初始化) ：选择 “s o u r c et y p e ”为“a c ”；将待产生的交流电源各项参数分别初始化为幅度2 2 0 v ，频率5 0 h z 和 初相位为0 度。 阶跃信号模块的“s t e pt i m e ”( 步长时间) 在本例中设为1 5 秒，“i n i t i a lv a l u e ”( 初值) 设为0 ，终值设为1 ；选择开关模块的阈值设为0 5 。两个模块配合使用。以实现在1 5 秒的时刻 将扰动电压叠加到2 2 0 v 的交流电压上( 叠加由求和模块实现) ，输入给受控的电压源模块后输出。 扰动交流电源的波形如图3 - - l o 所示。 图3 1 0 含扰动的正弦交流电源的波形( 在1 5 8 时电源受到扰动，峰值由2 2 0 v 跃变为2 5 0 v ) 将含有扰动的交流电源封装为子系统 由于作本例的仿真时需要三个含扰动的电源模型，在绘制系统的仿真模型电路时，必然会占 很大的图纸幅面，故此我们可以对上述电源模型采用子系统封装技术，将其封装为一个子系统符 号来代表原来的模型。封装后的扰动交流电源的子系统符号为图3 - - 1 1 的样子，默认名称为 “s u b s y s t e m ”。 s u b s 捧t e m o 图3 - - 1 1 扰动交流电源的子系统符号 下面我们以这种含扰动的交流电源子系统来搭建调速系统的仿真模型，三个电源子系统的名 称分别改为c o n t r o l l e dp o w e r l 、c o n t r o l l e dp o w e r 2 和c o n t r o l l e dp o w e r 3 ，如图3 1 2 所示。 图3 - - 1 2 带有扰动交流电源的单环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型 设在l ，5 秒的时候使晶闸管桥路的交流电源受到扰动，由原来的2 2 0 v 峰值突变为2 5 0 v ；仿 真时间设为2 秒。运行仿真后得到的、i a 和 r e 的曲线如图3 - - 1 3 所示。 圈3 - - 1 3 电源扰动对单环有静差转速负反馈调速系统性能产生的影响 现在我们对该调速系统作负载扰动分析和电源扰动分析，分析数据见表3 3 。 中国农业大学硕上学位论文第三章直流调速系统件能的仿真分析 扰动类型扰动幅度n原稳态值动态速降a n新稳态值( r r a i n ) 恢复时间t v ( s ) o l m i 出( r t m i 心 电源扰动峰值：2 2 0 - 2 5 0 1 0 3 1- - 6 1 0 3 7o 2 2 ( v ) 负载扰动 t l 5 0 - 1 0 0 1 0 3 l 41 0 2 70 ，1 2 ( n m ) 从表3 3 中可见，在表中所取的扰动幅度下，无论是电源扰动还是负载扰动，电动机的动 态速降( 或动态速升) 均较小，恢复时间也很短。 3 5 单环无静差转速负反馈调速系统的建模和仿真 单环无静差转速负反馈调速系统的原理图如图3 1 4 所示。 图3 - - 1 4 单环无静差转速负反馈调速系统的原理田 根据此原理图，我们可以采用以下两种方法来构建系统的仿真模型： 3 5 1主要基于系统传递函数的仿真模型 该方法中系统仿真模型是依据直流调速系统的传递函数模型而构建的。其中，直流电动机的 传递函数形式的数学模型如图3 一1 5 所示。 u 围3 1 5 直漉电动机的传递函致形式的数学模型 中同农业大学硕十学位论文第三章直流调速系统件能的仿真分析 理想空载情况下。k = o ，上面的模型可以简化成图3 一1 6 。 u d o ( s ) 1 ，q n ( s ) l 互霉s 2 + 乙s + l 田3 - 1 6 理想空载时直流电动机的传递函数形式的数学模型 依据上述直流电动机的数学模型，以及晶闸管整流装置的传递函数数学模型，采用p i 调节 器，在要求最大给定为1 2 v 直流电压、对应最高转速为1 0 0 0 r m i n 的情况下，可以构建如图3 一1 7 所示的无静差转速负反馈调速系统的仿真模型。 1 系统模型及仿真 o i r 闻d 1 1 5 8 围3 - 1 7 无静差转速负反馈调速系统的仿真模型1 仿真设置为s t a r tt i m e 为0 ，s 卸t i m e 为2 ；阶跃信号模块“s t c p ”的设置值s t e pt i m e ( 延迟 时间) 为0 ，f i n a l v a l u e ( 终值) 为1 2 ( v ) 。 按照先调比例系数、后调积分时间常数的顺序反复运行仿真。当p i 调节器的k p = o 5 5 9 ， = o 0 6 时得到如图3 一1 8 所示的转速曲线和电流曲线。 中国农业大学硕 学位论文第三章直流调速系统性能的仿真分析 围3 1 8 无静差转速负反馈调速系统运行仿真后的转速曲线和电流曲线 2 性能指标分析 负载扰动对调速系统产生的影响。 为了研究负载扰动对系统带来的影响，在模型中的负载电流l l 采用了另一个名称为“i l lt o i l 2 的“s t e p ”模块。该模块的设置为： s t e p t i m e 为l ( 延迟1 秒) ： i n i t i a lv a l u e 为1 0 0 ( a ) ( 初值为1 0 0 a ) ； f i n a lv a l u e 为1 5 0c a ) ( 终值为1 5 0 a ) 该阶跃信号如图3 1 9 所示。 图3 1 9 阶跃信号波形 运行仿真后，直流电动机电流i d 和转速n 的波形如图3 2 0 和图3 2 l 所示。 田3 一直流电动机电流l d 在有负载扰动倩i 晃下的波形 2 8 中国农业大学硕卜学位论文第三章直流调速系统性能的仿真分析 圈3 2 1 直流电动机转速n 在有负载扰动情况下的波形 从图3 2 0 和图3 2 l 可以直观地看到扰动情形。扰动电流最大上升到约1 6 5 a ；而电 动机转速降落约为1 0 0 a ，然后又在不到1 4 秒的时间内恢复到无静差状态。 3 5 2 采用电气原理图结构的仿真模型 采用电气原理图结构的系统仿真模型1 4 】如图3 2 2 所示。 1 系统模型及仿真 田3 一趁无静差转速负反馈调速系统的仿真模型2 系统的给定信号设置为1 5 0 r a d s ，p l 调节器的k p = 1 2 ，h = 4 0 ，其它的参数和前面有静差系 统的参数一样。 仿真时间设置为3 秒，仿真算法为o d e 2 3 s 。运行仿真后，得出的给定、电流和转速曲线如图 中国农业大学硕十学位论文第三章直流调速系统性能的仿真分析 3 2 3 所示。 圈3 - 2 3 无静差转速负反馈调速系统给定、电流和转速曲线 观察无静差系统的仿真结果，可以看出电流开始有一个突变，但随着转速的增加电流在逐渐 减小，转速经过p 1 调节器的调节，在3 、4 个周期之后基本实现了无静差。 2 调节方法和过程 单环无静差直流调速系统的调节方法比较简单，调试时按照先比例，后积分的顺序进行。 首先将比例系数k 一由小调大。同时观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的 响应曲线。调节比例系数后如果系统的稳态误差不能满足要求，再加入积分环节。先置一个较大 的积分积分时间常数屯，并将刚才整定的比例系数缩小一些，然后减小积分时间常数，以消除系 统的稳态误差。调试的关键在于把握响应曲线随控制参数改变而产生的变化趋势。反复调节硒 和t 直到实现满意的系统性能为止。 3 6 转速、电流双闭环直流调速系统的建模和仿真 双环直流调速系统与单环直流调速系统的主电路模型是一样的，差别在于控制电路。多环系 统的控制电路更复杂。 转速、电流双闭环直流调速系统的原理图如图3 2 4 所示。 圈3 2 4 转速、电流双闭环直流调速系统的原理图 图中a s r 是速度调节器，位于转速环内；a c r 是电流调节器，位于电流环内。根据此系统 结构，可以构建转速、电流双闭环直流调速系统的以下两种仿真模型 中国农业大学硕十学位论文 第三章直流调速系统件能的仿真分析 3 6 。1采用电气原理结构图方式的转速、电流双闭环直流调速系统的仿真 采用电气原理结构图方式搭建的转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型如图3 2 5 所示。 上土上 图3 2 5 速度给定的转速，电流双闭环直流调速系统仿真模型 1 系统模型设置和仿真 ( 1 ) 系统的建模和模型参数设置 转速、电流双闭环直流调速系统的建模和模型参数设置与单闭环直流调速系统绝大部分相 同。平波电抗器的电感值经过仿真实验修改为9 e 3 h 。 转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器a s r 、电流调节器a c r 、 限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节等。 给定环节的参数设置为1 3 0 r a d s ；电流反馈系数设为0 i ；速度反馈系数设为l 。 a c r 和a s r 的参数设置分别是： a c r ：i 尸2 ，气= 1 0 0 ，上下限幅值为0 3 0 ，一1 3 0 ： a s r ：k 。= 1 2 ；= i o ，上下限幅值为【2 5 ，- 2 5 】a 其它没作说明的为系统默认参数。 ( 2 ) 系统的仿真参数设置 仿真算法为0 d e 2 3 t b ；仿真的s t a r tt i m e 设为0 ，s t o pt i i i l e 设为2 。其它与单环系统相同。 ( 3 ) 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 图3 2 6 即为运行仿真后的电流曲线和转速曲线。 中同农业大学硕卜学位论文 第三章直流调速系统件能的仿真分析 图3 2 6 转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型的电流曲线和转速曲线 从仿真结果可以看出，曲线非常接近于理论分析的波形，反映了直流电机启动过程的三个阶 段： 第1 阶段，突加给定电压。a s r 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接 近其最大值。 第1 i 阶段，a s r 饱和，系统表现为恒流加速，转速线性增长。 第h l 阶段，当转速达到给定值后。a s r 的给定与反馈电压平衡；由于i d 大于i l ，转速出现超 调，因而a s r 输入端出现负偏差电压。a s r 退饱和，进入线性调节阶段，使转速保持恒定。 2 转速、电流双闭环宜流调速系统仿真模型的调试问题 相对于单环系统，双闭环仿真系统的调试一般是很困难的。要获得我们期待的调试结果( 图 3 - - 2 6 ) ，需要考虑的因素不仅仅是内、外环p i 调节器的l ( p i 、d 、k 、硼参数，还包括a s r 和 a c r 的上下限幅输出值、偏置电路的取值以适应六脉冲触发器整流控制角a 的输入范围问题和三 相交流电源的幅值诸多因素。调试要求我们必须对系统原理有比较深刻的了解和理解 3 调节方法和过程 ( 1 ) 根据双闭环调速系统的结构和原理，在预置一个大致合理的系统全部参数的基础上，固 定系统其他所有参数，研究并熟悉当某一个参数变化时。系统主要部位各