基于MATLAB的龙门刨床直流电动机调速系统仿真研究

XX大学毕业论文基于MATLAB的龙门刨床直流电动机调速系统仿真研究摘要龙门刨床调速系统动态性能要求较高同时要求电机经常处于正反转运行的状态，要尽量缩短起制动过程的时间。本文简单介绍了采用电流、转速双闭环进行直流调速的方法，描述了系统的组成及其数学模型。双闭环系统工作时，在起动过程中只有电流负反馈；到达稳态转速后，只有转速负反馈。根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，运用MATLAB中的SIMULINKPOWERSYSTEM模块建立双闭环系的仿真框图和面向控制系统电气原理结构模型，然后进行仿真。由仿真结果可以看出该系统有较好的动态跟随性能和静特性。关键词龙门刨床，双闭环直流调速系统，调节器，SIMULINKDOUBLEHAASPLANERDCSPEEDADJUSTMENTSIMULATIONBASEDONMATLABABSTRACTDOUBLEHAASPLANERDCSPEEDSYSTEMSWHERENEEDHIGHDYNAMICABILITYORNEEDMOTORTURNREVERSELYMOREOFTEN,ITISNECESSARYTOSHORTENTHETIMEOFSTARTINGORTRIGGINGTHEMOTORTHISARTICLEINTRODUCESMETHODOFDCSPEEDADJUSTMENTUSINGCURRENTANDSPEEDDOUBLELOOP，ANDDESCRIBESTHECONSTRUCTANDMATHEMATICMODELOFTHESYSTEMWHENDOUBLELOOPSYSTEMWORKS,INSTARINGTHEREISONLYCURRENTFEEDBACKBUTINTRIGGINGTHEREISONLYSPEEDFEEDBACK,INTERMSOFWORKPRINCIPLEOFDOUBLECYCLECONTROLSYSTEMOFDCSPEEDADJUSTMENT,THEARTICLEUSESSIMULINKPOWERSYSTEMBLOCKOFMATLABTOESTABLISHADOUBLELOOPSIMULATIONBLOCKDIAGRAMANDESTABLISHEDACONTROLSYSTEMFORELECTRICALEQUIPMENTMODEL，THENSIMULATESTHECONTROLSYSTEMMODELFROMTHERESULTWECANSEETHATDOUBLELOOPSYSTEMHAVEBETTERSTEADYABILITYANDDYNAMICFOLLOWABILITYKEYWORDSDOUBLEHAASPLANER，DOUBLELOOPDCMOTORSYSTEM，ADJUSTOR，SIMULINK太原工业学院毕业论文目录1绪论111自动控制系统简介112控制系统计算机仿真概述213计算机仿真在机械行业中的应用42SIMULINK仿真简介621关于SIMULINK622SIMPOWERSYSTEM仿真63龙门刨床直流调速系统的组成及其工作原理831龙门刨床直流调速系统的组成8311龙门刨床直流调速系统原理框图8312系统的主要控制环节932龙门刨床直流调速系统的工作原理10321以电流调节器ACR为核心的电流环10322以转速调速器ASR为核心的转速114龙门刨床直流调速系统的静动态特性1241双闭环直流调速系统的静特性及稳态参数计算12411双闭环调速系统的静态特性12412双闭环调速系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算1242双闭环直流调速系统的动态特性13421双闭环调速系统动态数学模型13422双闭环调速系统的起动特性1643双闭环直流调速系统动态抗扰性能19431抗负载扰动19432抗电网电压扰动1944转速和电流两个调节器的作用205龙门刨床直流调速系统的动态仿真模型2151POWERSYSTEM选模2252仿真建模与模型参数设置236龙门刨床调速系统动态仿真及结果分析2661获取仿真曲线2662对仿真结果的分析2663结构参数对仿真结果的影响27参考文献29致谢30太原工业学院毕业论文1绪论11自动控制系统简介现代自动控制系统应用非常广泛，几乎遍及国民经济的所有部门。现在讨论的控制系不是广义的、泛指的控制系统，而是工程技术领域里常指的自动控制系统。以控制对象生产工艺过程的性质、特点而论，控制系统大体可分为两大类一类是以机械运动为主要生产形式，以电动机为执行机构的“电力拖动自动控制系统”；另一类是以化学反应或者热能转换为主要生产形式，以自动化仪表与装置为检测与执行机构的“工业生产过程控制系统”。这两类控制系统仅仅是执行机构和系统的设备生产形式不同，其自动控制的理论完全一样，研究的方法以及仿真理论、过程没有什么差别。111电力拖动自动控制系统在现代工业生产中，为了实现各种不同生产工艺过程的要求，需要使用各种各样的生产机械。例如各类生产机床、轧钢机、矿井提升机、水磨机、造纸机、纺织机械、化工机械、电力机床、电梯、起重机、榨油机、水泵、电动工具乃至家用电器等等，数不胜数。电动机拖动生产机械运转叫做电力拖动。电力拖动，是电动机将电能转换为机械能的过程，是当代各种生产活动最基本也是最先进的形式。这是新型的电力代替传统而原始的人力或者畜力的历史必然，也是现代文明的标志之一。作为现代能源主要形式的电能，其生产集中在火力、水力、风力与原子能发电厂进行。电能可远距离输送，简单经济、易于分配、转换与控制，检测方便，价格低廉。电力拖动比其它形式的拖动效率要高得多，原动机与被动机械的连接简便。电动机效率高，运转经济。电动机的形式种类与规格很多，具有各种良好的特性，可适应各种不同生产机械的需要。电动机的起动、制动、反向及调速等控制简便快捷，调节性能良好。电力拖动可实现远距离控制与自动调节，进而实现生产过程的自动化。综上所述，电力拖动自动控制系统已经成为现代工业生产自动化及电气化的基础，而实现工业生产自动化和电气化对于提高生产效率和产品质量是至关重要的，而且对提高工人的工作环境，安全性，降低工作人员的劳动强度都有重要的意义。太原工业学院毕业论文2112工业生产过程自动控制系统工业生产过程自动控制是指在冶金、机械、石油、化工、电力、轻工、建材、原子能与环保等部门的生产中，对于温度、压力、流量、液位、成分等变量实现的自动控制。它是利用过程检测仪表、自动化设备与装置、数字计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测与控制，以期达到各种最优的技术、经济指标、提高经济效率与劳动生产率、节约能源、改善劳动生产条件、保护生态等目的。工业生产过程自动控制系统（简称过程控制系统），是由控制对象与过程控制仪表所组成。以控制的角度而论，工业生产过程自动控制着重研究串级控制、前馈控制、均匀控制、比值控制、分程控制、选择性控制、多变量控制、多冲量控制以及数字过程控制等方面的课题。工业生产过程自动控制系统是一门内容极为丰富的综合性应用技术学科，它与工程实践联系紧密，与电力拖动自动控制系统一样，在现代工业生产过程自动化中也得到了十分广泛的应用。12控制系统计算机仿真概述121目前发展状况控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性新型学。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（物理模型或数学模型）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。因此，凡是要用模型进行实验的几乎都可以用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的取代纯物理仿真，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、科学有效的手段。对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验。然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的。因此就必须对其进行模拟实验研究。当然有些情况下可以构造一套物理装置进行实验，但这种方法十分费时而且费用又高，而且在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对控制系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。但是长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，太原工业学院毕业论文3然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。目前，比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB，它提供的动态系统仿真工具SIMULINK，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。在SIMULINK中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLBA中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的SIMULINK工具箱对其进行计算机仿真研究。本次设计将使用一种新的面向控制系统电气原理结构图，使用POWERSYSTEM工具箱进行调速系统仿真研究。122计算机仿真的实现对于需要研究的对象，计算机一般是不能直接认知和处理的，这就要求为之建立一个既能反映所研究对象的实质，又易于被计算机处理的数学模型。数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质，当然，这种展现可以是三维立体的。由于三维显示更加清晰直观，已为越来越多的研究者所采用。通过对这些输出量的分析，就可以更加清楚的认识研究对象。通过这个关系还可以看出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。从模型这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤模型的建立、模型的转换和模型的仿真实验。模型的建立对于所研究的对象或问题，首先需要根据仿真所要达到的目的抽象出一个确定的系统，并且要给出这个系统的边界条件和约束条件。在这之后，需要利用各种相关学科的知识，把所抽象出来的系统用数学的表达式描述出来，描述的内容，就是所谓的“数学模型”。这个模型是进行计算机仿真的核心。系统的数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型；根据系统的状态描述和变化方式可划分为连续变量系统模型和离散事件系统模型。模型的转换所谓模型的转换，即是对上一步抽象出来的数学表达式通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理的形式，这种形式所表现的内容，就是所谓的“仿太原工业学院毕业论文4真模型”。这个模型是进行计算机仿真的关键。实现这一过程，既可以自行开发一个新的系统，也可以运用现在市场上已有的仿真软件，如铸造过程就常用MAGMASOFT软件来进行仿真。模型的仿真实验将上一步得到的仿真模型载入计算机，按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果，这就是所谓的“模型的仿真实验”。具备了上面的条件之后，仿真实验是一个很容易的事情。但是，应该如何来评价这个仿真的结果，这就需要来分析仿真实验的可靠性。仿真结果可靠性的两种方法置信通道法和仿真过程的反向验证法，可供参考。13计算机仿真在机械行业中的应用131计算机仿真在复杂机械加工过程研究方面的应用5机械加工过程，是机械行业进行生产的基础。利用计算机仿真，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。如磨削方面，吉林大学的王龙山教授等提出了依赖于时间变化的描述磨削过程的各个数学模型，通过计算机模拟可以预测和估计磨削行为和磨削质量，为磨削过程优化、智能控制、虚拟磨削创造了必要的前提。李国发博士等研究了变进给磨削过程磨削功率的模型，利用计算机仿真得到能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案。还有山东大学机械工程学院的王霖等研究了磨削温度场的计算机仿真系统，实现了对磨削温度场的预测及优化，为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理论依据。铣削方面，同济大学机械工程系的李沪曾教授等建立了多齿端铣切削过程动力学模型，开发了切削振动仿真的微机通用软件，采用数字仿真方法研究了平面端铣切削振动的原理和条件。佳木斯大学的任福君教授等研究了电火花切割多轴加工复杂曲面的计算机图形仿真技术；上海交通大学的楼乐明博士等建立了电火花加工的工艺仿真系统，实现了加工效果的预测、加工参数的优化。挤压成型方面，上海交通大学的储灿东博士建立了连续挤压的计算机仿真模型，并通过模拟实验得出了连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。132计算机仿真在汽车制造研究方面的应用汽车制造是机械行业的一个重要组成部分。它有很多实验课题，难度大、实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方面的问题。如发动机方面，装甲太原工业学院毕业论文5兵工程学院机械系的毕小平教授等建立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型，其仿真结果与实际测量值比较吻合，可用于多缸柴油机的起动性能仿真。江苏理工大学的蔡忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程，为多缸发动机换气过程的研究提供了有效的方法。汽车流场方面，华东理工大学信息学院的吕明忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的气流分离和拖曳涡现象，建立了两种车型的汽车外流场空气动力学模型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面，浙江大学动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根据汽车碰撞的事故形态与乘员伤害之间的规律，建立了乘员动力学响应的数学模型，并开发出了相应的仿真软件，该系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动安全性能的研究。其他方面，例如，汽车工程学院的熊坚对汽车的制动过程进行了仿真研究，一汽大众汽车有限公司的姚革等通过仿真研究了汽车转向的轻便性问题等。太原工业学院毕业论文62SIMULINK仿真简介21关于SIMULINKSIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK。SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK,它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上找出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。SIMULINK提供动态系统仿真工具SIMULINK，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在SIMULINK中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。22POWERSYSTEM仿真POWERSYSTEM是在SIMULINK环境下进行电力电子系统建模和仿真先进工具。它为发电输变电系统和电力分配计算方面提供了强有力的解决方法，尤其是太原工业学院毕业论文7当设计开发内容涉及控制系统设计时，优势更为突出。对于具有复杂自给型供电装置，如汽车上、飞机上、制造设备上的电气系统和普通用电装置，用POWERSYSTEM进行分析和设计非常理想。POWERSYSTEM中模块的数学模型基于成熟的电磁和机电方程，用标准的电气符号表示。它们可以同标准的SIMULINK模块一起使用建立包含电气系统和控制回路的模型。连接通过与POWERSYSTEM提供的测量模块实现。POWERSYSTEM拥有近100个模块，分别位于7个子模块库中。这些库模块涵盖了电气网络、电力机械、电力电子、控制和测量模块。POWERSYSTEM的模块集包含电气网络中常见的元器件和设备，以直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。模型可与其它SIMULINK模块的相连接，进行一体化的系统级动态分析，主要有一下特点10使用标准电气符号进行电力系统的拓扑图形建模和仿真。标准的AC和DC电机模型模块；变压器；传输线；信号和脉冲发生器；HVDC控制；IGBT模块和大量设备模型，有断路器、二极管、IGBTGTO、MOSFET和晶闸管。使用SIMULINK强有力的变步长积分器和零点穿越检测功能，给出高度精确的电力系统仿真计算结果。提供了扩展的电气系统网络设备模块，如电力机械，功率电子元件，控制测量模块和三相元器件。太原工业学院毕业论文83龙门刨床直流调速系统的组成及其工作原理31龙门刨床直流调速系统的组成龙门刨床的调速系统经常处于正反转状态，为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。速度和电流双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节的，可获得良好的静、动态性能。311龙门刨床直流调速系统原理框图图31为转速、电流双闭环直流调速系统原理图。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。由图可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成了转速环，故称为双闭环调速系统。因转速环包围着电流环，故称电流为内环，转速环为外环。电路中ASR和ACR串联，即把ASR的输出当作ACR的输入，再由ACR的输出去控制晶闸管整流器的触发器。图中，ASR和ACR均为比例积分调节器，其输入输出均设有限幅电路。ACR输出限幅值为CTMU，它限制中的晶闸管整流器输出电压的最大值DMU。ASR输出限幅值为IMU，它决定了主环中的最大允许电流DMI。IUNUIUNUIUIUCTU图31双闭环调速系统原理图ASR转速调节器；ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；GT触发器；NU转速给定电压；NU转速反馈电压；IU电流给定电压；V整流器；NU太原工业学院毕业论文9图32直流电动机电路图312系统的主要控制环节（1）给定环节。用来产生给定控制信号，它一般由高精度的直流稳压电源和用于改变给定信号的精密电位器组成。（2）比较与放大环节。由PI运算放大器组成，用来将给定信号和反馈信号进行比较和放大。（3）触发器和整流装置环节（组合体）。该环节的作用是进行功率的放大，将输入信号CTU放大成电动机端的输入电压。（4）速度检测环节。该环节的作用是通过一台小型直流发电机，将调速电机的转速转换成速度反馈电压，电压的大小与速度成正比。（5）直流电动机环节。为方便起见，系统中的电压、电动势、电流均使用大写字母，在动态分析时，就认为是瞬时值；在稳态分析时，就认为是平均值。由图32可见，直流电动机有两个独立的电路一个是电枢回路，另一个是励磁回路。直流电动机各物理间的基本关系式如下DD0DDDTRLEIUI（31）EMMDDTKICI（32）22LMDLEDDD375D375DNNTCTGDGDTTII（33）EEEKCNN（34）式中，D0U、DI分别为电动机电枢瞬时电压、电流；DLI为负载电流；ET为电磁转矩；LT为负载转矩；R为电枢回路总电阻；L为电枢总电感；MK为转动惯量常量；太原工业学院毕业论文10MC为电动机的转矩电流比，NMA，ME30CC，EC为电动机的电动势转速比，MINR；2GD为电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的飞轮惯量，2N。当电动机进入稳态运行时，其稳态关系为D0DREUIEMMDDTKICIETT，DDLIIEEKCENN32龙门刨床直流调速系统的工作原理为了更清楚的了解转速、电流双闭环直流调速系统的特性，必须对双闭环系统的稳态结构图进行分析。图33为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出CTU为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入IU为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压NU为正极性。321以电流调节器ACR为核心的电流环电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用通过电流检测元件的反馈作用稳定电流。由于ACR为PI调节器，稳态时，其输入偏差电压IIIID0UUUUI，即DIIU。其中为电流反馈系数。当IU一定时，由于电流负反馈系数的调节作用，使整流装置的输出电流保持在UNUIUIUIUACRASRCTUD0UDRINE1CSK图33双闭环调速系统的稳态结构图太原工业学院毕业论文11IU数值上。当IDUI时，自动调节过程为DIIDDDCTIUUUUII最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似调节过程。322以转速调速器ASR为核心的转速转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的负反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足NN0UUN即NUN。当NU一定时，转速N将稳定在NU数值上。当NUN时，其自动调节过程为负载NNNUUNIUICTD0UUUN最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。太原工业学院毕业论文124龙门刨床直流调速系统的静动态特性41双闭环直流调速系统的静特性及稳态参数计算分析双闭环调速系统静态特性的关键是掌握转速PI调节器的稳态特征，它有两种状态饱和输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出（除非输入信号变极性使转速调节器退饱和），这时转速环相当于开环；不饱和输出未达到限幅值，通过转速调节器的调节，使输入偏差电压NU在稳态时为零。411双闭环调速系统的静态特性启动时，突加阶跃给定信号NU，由于机械惯性，转速很小，抓素偏差电压NU很大，转速调节器ASR饱和，输出为限幅值IMU且不变，转速环相当于开环。在此情况下，电流负反馈环起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂特性如图41中的AB段虚线。当转速达到给定值且略有超调时，转速环的输入信号变极性，转速调节器退饱和，转速负反馈环起调节作用，使转速保持恒定，即NUN保持不变，见图41中0N段虚线。此时，转速环要求电流迅速响应转速N的变化，而电流环则要求维持电流不变。这不利于电流对转速变化的响应，有使稳态特性变软的趋势。但由于转速环是外环，起主导作用，而电流环的作用只相当转速环内部的一种扰动作用而已，只要转速环的开环放大倍数足够大，最终靠ASR的积分作用，可消除转速偏差。因此，双闭环系统的稳态特性具有近似理想的“挖土机特性”4（见图41中实线）。412双闭环调速系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算当系统的ASR和ACR两个调节器都不饱和且系统处于稳态时，各变量间的关系为0NNUUANAN41IIDDLUUII42图41双闭环系统的稳态特性太原工业学院毕业论文13D0DDLENCTSSSEUCIRCUIRUKKKN43从上述式子可知，在稳态工作点上，转速N由给定电压NU决定，而转速调节器的输出量IU由负载电流DLI决定，控制电压CTU由转速N和DI的大小决定。很明显，比例调节器的输出量总是由输入量决定；而比例积分调节器与比列调节器不同，它的输出与输入无关，而是由它后面所接的环节决定。另外，转速反馈系数和电流反馈系数还可以通过下面两式计算转速反馈系数NMMAXUN电流反馈系数IMDMUI其中，NMU和IMU分别是最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压。42双闭环直流调速系统的动态特性421双闭环调速系统动态数学模型建立系统的数学模型的一般步骤是列出系统中各个环节的微分方程进行拉式变换得到各环节的传递函数根据系统的结构画出系统的动态结构图。（1）直流电动机的数学模型由式（31）可知电枢回路的电压平衡方程式DDD0DDDDDDLRLRTRTEIIUII在零初始条件下，对上式两侧进行拉普拉斯变换得11D0DDD1SRSSSRSSESUITIIT则电压与电流间的传递函数为0DD111SRSSSEIUT式中，1T为电枢回路电磁时间常数，1TLR。由式（33）可得2MMDLDDD375NDERTDTGDTCII式中，DI为电枢电流；DLI为负载电流；MT为电动机的机电时间常数，2MEM375RGDCCT。太原工业学院毕业论文14同理，对上式两侧进行拉氏变换得MDDLSRSSESIIT由此可得直流电动机的动态结构图如图42所示直流电动机传递函数中主要参数的工程计算方法讨论电磁时间常数1TLR电动机的时间常数1TLR，而0SLLL，电动机本身的电枢电感可通过3NN102DNKUPNISL，MH求得。其中，NNN68DKUIN；、为电动机的额定参数；P为电机的极对数；0L视外部电感而定。电动机电枢回路总电阻0ANRRRR，其中2NNNNNAN050612UIPUIRI式中，NP为电机额定功率；为电机的效率；0R视电枢回路外部电阻而定。整流装置的内阻22KN152UMUIR，式中M为一周内整流电压的波头数；KU为整流变压器短路比；2U、2I分别为整流变压器次级电压与电流。机电常数92MEMEM375GRRGDJCCCCTGJ为系统总的转动惯量，12DGGGJJJ、分别为电动机和传动机构的转动惯量；123III、分别为传动机构的传动比，则12D2212GGGGIIJJJJ可近似的认为1DD22122D125GGGGGGIIJJJJJJME30CC，而NNANEIRUCN。（2）晶闸管触发和整流装置的传递函数图42直流电动机的动态结构图太原工业学院毕业论文15在晶闸管整流电路中，当控制角由1变到2时，若晶闸管已导通，则0DU的改变要等到下一个自然换向点以后才开始。这样，晶闸管整流电路的输出电压0DU的改变较控制电压的改变延迟了一段时间ST，ST称为失控时间。由于ST的大小随CTU发生变化的时刻而改变，故ST是随机的，参见图43可能的最大失控时间是两个自然换相点之间的时间，它与交流电源的频率和晶闸管整流形式有关，由下式确定【】7MAXS1TMF式中，F为交流电源频率；M为一周内整流电压的波头数。相对于整个系统的响应时间来说，MAXST并不大，一般情况下，可取其统计平均值MAXSS/2TT，并认为是常数。用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发和整理装置的输入输出关系为SSCTD01TTUKUT44式44清楚地表明了STT时，CTU才起作用，经拉普拉斯变换后得D0SCTSTSESKSUU45由于式45中包含指数项STSE，使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦为了简化，先将STSE按泰勒级数展开得S2233SSS2311TSSSTTTSE由于ST很小，忽略高次项，则可视为一阶惯性环节，晶闸管整流器的动态传递函数为图43晶闸管整流装置的失控时间太原工业学院毕业论文16D0SSCT1SSUKUTS按照自动控制原理，将式中的S换成J，经推导可知其成立的条件是SC13T式中，C为该环节开环频率特性的截止频率。（3）放大器的数学模型和传递函数若不考虑放大器的输入端滤波，则放大器的数学模型为PNCTTTUKU，其传递函数为CTPNSSUKU（4）测速反馈环节同样，若不考虑测速反馈环节的滤波电路，则该环节的数学模型为NTUAN，其传递函数为NTTUNA（5）PI调节器的传递函数双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器的传递函数就是PI调节器的传递函数，ASR和ACR的传递函数分别为NNN1SSKSWASRIII1SKSWSACR（6）双闭环直流调速系统的动态数学模型根据前面推导的各个环节的传递函数，按照系统间的相互关系，依次连接起来，便得双闭环调速系统的动态结构图，如图44422双闭环调速系统的起动特性UNNUCIDLUD0UNUWASRSWACRSKSTSS11/RTLS1RTMSUIID1/CEE图44双闭环调速系统的动态结构图太原工业学院毕业论文17双闭环直流调速系统突加给定电压NU由止状态起动时，转速和电流的动态过程如图45由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段电流上升的阶段（0T1）图46突加给定电压NU后，DI上升，当DI小于负载电流DLI时，电机还不能转动。当DDLII后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值IMU，强迫电流DI迅速上升。直到DDMII，IIMUU电流调节器很快就压制DI了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段恒流升速阶段（T1T2）图47在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流DI恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。图45双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形NOOTTIDMIDLIDNIIIIIIT4T3T2IDLIDNNIDMOOIIIIIIT4T2T1TT3图46太原工业学院毕业论文18NIDLIDNIDMOOIIIIIIT4T3T2T1T图47与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，D0U和CU也必须基本上按线性增长，才能保持DI恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，DI应略低于DMI，恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE的最大输出电压也须留有余地。第阶段转速调节阶段（T2以后）图48当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值IMU，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，IU和DI很快下降。但是，只要DI仍大于负载电流DLI，转速就继续上升。直到DDLII时，转矩LETT，则DN/DT0，转速N才到达峰值（TT3）时。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（T3T4），DDLII，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节图48NTTIDMIDLIDNIIIIIT4T3OOI太原工业学院毕业论文19作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说电流内环是一个电流随动子系统。43双闭环直流调速系统动态抗扰性能一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。431抗负载扰动由动态结构图图49中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。432抗电网电压扰动在单闭环调速系统图410中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电图410单闭环系统UNUDTLS11/RKSIDUNIDLASR1/CENUD0RTMSTSS1IDLUDKS1/RTMSTLS1TSS1UD01/CEUNNUNASRRIDACRUIUI图49动态结构图太原工业学院毕业论文20网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。44转速和电流两个调节器的作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下（1）转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速N很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。（2）电流调节器的作用作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。太原工业学院毕业论文215龙门刨床直流调速系统的动态仿真模型目前，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的SIMULINK工具箱对其进行计算机仿真研究。本设计则使用了一种面向控制系统电器原理结构图，使用POWERSYSTEM工具箱进行调速系统仿真的新方法。此次仿真主要按照图（51）进行系统原理结构图POWERSYSTEM选模设置各组成环节元件参数POWERSYSTEM建模仿真参数设置执行仿真，结果分析图51仿真流程太原工业学院毕业论文2251POWERSYSTEM选模龙门刨床调速系统的系统原理图见图（31），根据系统原理图在POWERSYSTEM模块中选取相应的模块，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模块浏览器窗口打开POWERSYSTEMS模块库，从ELECTRICALSOURCE组选中ACVOLTAGESOURCE和DCVOLTAGESOURCE模块拖入模型编辑窗口，从ELEMENTS组选中SERIESRLCBRANCH模块拖入模型编辑窗口，从EXTRALIBRARY组中的CONTROLBLOCKS中选取SYNCHRONIZED6PULSEGENERATOR模块，从MACHINES组选中DCMACHINE模块拖入模型编辑窗口，从POWERELECTRONICS组选中UNIVERSALBRIDGE模块拖入模型编辑窗口，从MEASUREMENTS组选中VOLTAGEMEASUREMENT模块拖入模型编辑窗口。需要从SIMULINK模块库中把SOURCE组中的STEP模块拖入模型编辑窗口；把MATH组中的SUM和GAIN模块拖入模型编辑窗口；把CONTINUOUS组中的TRANSFERFCN模块拖入模型编辑窗口；把SINKS组中的SCOPE模块拖入模型编辑窗口；把SIGNALROUNTING组中的DEMUX模块拖入模型编辑窗口；从EXTRALIBRARY组中的DISCRETECONTROLBLOCK中选取PI调节器模块。至此，我们已经把转速电流双闭环直流调速系统的仿真结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。如下图（52）图52模块图太原工业学院毕业论文2352仿真建模与模型参数设置三相电源的建模和参数设置PEAKAMPLITUDE220VFREQUENCE50HZPHASEA0DEGB相120DEGC相240DEG晶闸管桥的建模和参数设置桥臂数3平波电抗器的建模和参数设置INDUCTANCE5E3H直流电机建模和参数设置如图（53）图53控制电路建模和参数设置包括同步脉冲触发器的建模和参数设置、给定与测量FREQUENCEOFSYNCHRONISATIONVOLTAGES50HZ给定ALTA90为常量。在电机的测量端口测取（转速）、AI（电枢电流）、FI（励磁电流）、ET（电磁转矩）；用多路复用分离各测取量，在示波器上用不同的坐标显示。图53电动机参数设太原工业学院毕业论文24对控制电路模型进行设置。CURRENTCONTROLLER所用的PI调节器参数设置如图（54）SPEEDCONTROLLER的参数设置如图55图54图55太原工业学院毕业论文25其他参数设置触发角90DEG，参考给定速度REFERENCESPEEDSTEPTIME2S，INITIALVALUE100RAD/S，FINALVALUE160RAD/S，阶跃负载STEPTIME4S，初始负载给定10，最终负载给定100所有参数设置完毕，模型建立与参数设置完毕后模型见图56图56太原工业学院毕业论文266龙门刨床调速系统动态仿真及结果分析61获取仿真曲线点击STARTSIMULINK对直流电动机双闭环调速系统进行仿真，仿真如图6162对仿真结果的分析如图61所示，在02秒的时间内，分三个阶段电流上升阶段（001秒左右），恒流升速阶段（0104秒左右），转速调整阶段（0407秒左右）。2秒时给定速度有100变为160RAD/S，23秒时间内，电动机转速上升，电枢电流基本不变，当转速达到给定值时，电枢电流有大幅的下降，34秒时间内转速基本恒定，电枢电流有一振荡的环节。第4秒时，负载给定变化，由10变为100。这时由于系统中由有速度与电流调节器（PI调节器）的作用，使得电动机的转速基本没有变化，电枢电流由小幅图61太原工业学院毕业论文27的振荡上升过程最后达到稳定。整个环节励磁电流没有变化。电磁转矩的变化与电枢电流的变化一致，原因是励磁电流FI与直流电机的励磁磁场大小有关，由公式（32）EMMDDTKICI可知，MK、不变，ET与AI成正比关系。综上所述龙门刨床直流调速系统具有良好的静特性和动态跟随性能，同时对负载扰动能及时做出自我调整。63结构参数对仿真结果的影响（1）负载扰动修改负载阶跃模块，在4秒后将负载增大到300时，仿真结果见图62可以看出4秒之后由于负载过大，造成转速急速下降，调速系统不能使速度维持恒定，已经不能满足反馈调速要求，这是与电机本身的额定数据有关的。（2）PI调节器的参数当改变PI调节器的参数时，对系统的性能影响也是很大的，例如将速度和电流调节器的积分项变为60，比例项分别变为20和4时，仿真结果为图63可以看出，电枢电流基本没有小幅震荡，只是在速度给定（第2秒）和恒流升速阶段开始的时候有很大的电流波动，这会对电动机有一较大的电流冲击，使电动机容易损坏。同时在调节器参数改变后，在同样的负载下，图63达到稳态的时间图62太原工业学院毕业论文28（约1S）要明显的短于图61达到稳态的时间（约13S），两调节器参数选取恰当时,双闭环系统的动态特性,即系统在启动和升速过程中能够在电机过载能力约束条件下表现