双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究.doc

双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究 摘要利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。关键词：matlab；simulink；双闭环；电机；调速ABSTRUCTUsing simlink software of MATLAB and SimPowerSystems ,it is simple and manifest to simulate the system.Users can build up system model by graph,and run simulative program by pressing the menu of Simulink environment,whose result will display on the monitor.Users capability of simulation will be fortified much with the learning of powerful SIMULINK tools.KEY WORD:matlab;simulink;Double closed loop;electric motor;speed regulation一 引言：本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，称为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。二 原理：按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，称为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统，其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素，按全局最优的观点正确选择合理的阶次。三 仿真模型的建立进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，或直接键入SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口，如图2-52所示。由于版本的不同，各个版本的模块浏览器的表示形式略有不同，但不影响基本功能的使用。 图1SIMULINK模块浏览器窗口(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择FileNewModel菜单项实现。(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。如图2所示。 图2 模型编辑窗口 (3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。 图3 加法器模块对话框 双击传递函数模块（Transfer Fcn），则将打开如图4所示的对话框，只需在其分子Numerator和分母Denominator栏目分别填写系统的分子多项式和分母多项式系数，例如0.002s+1是用向量0.002 1来表示的。在这里我们用它可以构建转速、电流反馈滤波器和给定滤波器。 图4 传递函数模块对话框 双击阶跃输入模块(Step)打开如图5所示的对话框，可以把阶跃时刻(Step time)参数从默认的1改到0，把阶跃值(Final value) 从默认的1改到10。 图5 阶跃输入模块对话框双击交流电压源(AC Voltage Source)如图6所示的对话框，修改峰值（Peak amplitude）默认的参数100为200*sqrt(2)，修改频率（Frequency）默认参数为50。为了形成三相交流电源，三个AC Voltage Source的Phase项依次填入0、-120、-240，分别对应uA、uB、uC。（标注uA、uB、uC，可以通过单击AC Voltage Source进行修改。） 图6 交流电压源模块对话框双击直流电压源模块（DC Voltage Source）打开如图7所示的对话框，修改Amplitude即改变了电压源的幅值。这里此模块用作直流电动机的励磁电源，幅值为220V。 图7 直流电压源模块对话框双击三相变压器模块出现下图8对话框。修改额定功率和频率项（Nominal power and frequency）为2e6，50。 图8 变压器模块对话框三相桥式可控整流桥模块弹出对话框图9。四个参数分别是晶闸管整流桥导通电阻（Thyristor on-state resitance）、导通电感(Thyristor on-state inductance)、缓冲电阻(Snubber resistance)、缓冲电容(Snubber capacitance)。 图9 三相可控整流电路模块对话框 图10直流电机模块对话框双击Gain打开对话框图11，可修改增益。 图11 增益模块对话框双击Series RLC Branch得到对话框图12,可依次修改电阻、电感和电容。 图12RLC串联电路模块对话框双击示波器出现图13，点击按钮，即可打开图14所示对话框。改变Number of axes就可改变接入信号的个数。还可以右击选择Axes proporties得到图15，通过修改Title来设置所显示参量的名字。 图13示波器模块对话框图14 示波器参数修改对话框 图15 示波器坐标轴参数修改对话框双击信号分解模块(Demux)打开对话框图16，通过修改(Number of outputs)可以改变输出信号的个数。 图16分解模块对话框ASR、ACR其实是由放大器、积分器、加法器、限幅器组成的两个结构完全一样的控制环节。它们用了来自Math组的Gain模块来仿真比例器，用Continuous组的Integrator模块和Gain模块的串接来仿真积分器，两者通过加法器模块Sum和限幅器构成了PI调节器。经过子系统封装后构成一个模块。我们可以通过Edit菜单选项Look under Mask查看其内部结构。 图17ASR、ACR模块双击ASR或ACR模块填写PI调节器所需要的放大系数、微分时间常数和上、下输出(积分)限幅值，本例的输出(积分)饱和值10和-10。其原因是转速调节器是工作在限幅饱和状态，故要在仿真模型中真实地反映出来。如下图18所示： 如图18ASR、ACR模块参数修改对话框Pulse Generator的结构如图19所示，主要是一个同步6脉冲触发器，由子系统（如图20所示）构成三相同步电压源，由Fcn将ACR输出转换成脉冲控制角。而输入端Block 用于控制触发脉冲的输出，在该端置“0”，则有脉冲输出；如果设置为“1”，则没有脉冲输出，整流器也不会工作。 图19 三相6脉冲触发器图20 三相同步电压源子系统完成了对模块参数的调整后就可以进行系统连线工作。(4)模块连接：以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标致终点模块输入端处，则在两模块间产生“”线。 按照图2的情况，反馈回路中的模块的输入端和输出端的方向位置不妥，应该把它水平反转。单击该模块，选取FormatRotate Block菜单项可使模块旋转90；选取FormatFlip Block菜单项可使模块翻转。 当一个信号要分送到不同模块的多个输入端时，需要绘制分支线，通常可把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。 此外，选中某一模块后，当鼠标点中模块四角的黑方块进行拖曳，可以改变模块图形的大小。使用者可以根据实际情况操作，使得界面更清楚，更美观。 模块连接完成了后的仿真模型如图21所示。 图21 电流环的仿真模型2电流闭环控制系统仿真(1)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮 或选择SimulationStart菜单项，则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果，如图22所示。 图22直接仿真结果 (2)仿真参数的设置：从图22显示的仿真结果来看，无法对阶跃给定响应的过渡过程有一个清晰的了解，需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的默认值逐一改动。改动的方法有多种，其中一种方法是选中图23 Simulink模型窗口的SimulationSimulation parameters菜单项，打开如图23所示的对话框，对仿真控制参数进行设置。 图23 Simulink仿真控制参数对话框其中的Start time和Stop time栏目分别允许填写仿真的起始时间和结束时间，把默认的结束时间从10.0秒修改为0.35秒。再一次地启动仿真过程，然后启动Scope工具条中的第6个按钮自动刻度(Autoscale),它会把当前窗中信号的最大最小值为纵坐标的上下限，从而得到了图24所示的清晰图形。 图24 修改控制参数后的仿真结果(3)调节器参数的调整：利用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真是十分简单和直观的，在图21所示的电流环的仿真模型中，只要调整PI调节器的参数，可以很快地得到电流环的其它阶跃响应曲线。 图25无超调的仿真结果 图26超调量较大的仿真结果 四 仿真实验与分析 （1） 建立转速环的仿真模型按照前述的电流环的仿真模型的建立方法，得到转速环的仿真模型，如图27所示。 图27 转速环的仿真模型 （2）转速环仿真模型的运行 设置TL=50%TN为恒定负载；TLStep=50%TN为扰动负载，在运行1秒后加入；仿真运行结果如图28。 图28转速电流双闭环直流调速系统的