带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真.doc

2009级电气工程与自动化专业课程设计论文重庆文理学院电子电气工程学院 专业课程设计论文题 目 带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真专 业 电气工程与自动化 姓 名 班 级 学 号 2012年 5 月 15日- 21 -带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真摘要:为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，本文就简单的带转速负反馈的有静差直流调速系统这个例子，通过对MATLAB的仿真，改变Un*、Kp得到不同的仿真结果。通过对仿真结果的对比，从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。 关键词：直流调速 单闭环 稳态精度 比例调节 MATLAB仿真 目 录1 引言.1 2带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真原理. 2.1问题的提出与解决.6 2.2带转速负反馈的有静差直流调速系统原理 3仿真过程 3.1电力系统(SIMULINK)工具箱 3.2仿真原理图3.3仿真过程331仿真具体步骤332所用元器件及其参数设置第四章结论.25参考文献.26 1引言直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 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，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。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。MATLAB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。Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛。2带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真原理2.1问题的提出与解决晶闸管-直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实现调速，但是存在两个问题，第一，全压起动时，起动电流大。第二，转速随负载变化而变化，负载越大，转速降落越大，难以在负载变动时保持转速的稳定，而满足生产工艺的要求。为了减少负载波动对电动机转速的影响可以采取带转速负反馈的闭环调速系统，根据转速的偏差来自动调节整流器的输出电压，从而保持转速的稳定。2.2带转速负反馈的有静差直流调速系统原理 直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc 调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供电。带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构如图1所示。系统由转速给定环节，放大倍数为的放大器，移相触发器CF，晶闸管整流器和直流电动机M,测速发电机TG等组成。该系统在电机负载增加时，转速将下降，转速反馈减小，而转速的偏差将增大，同时放大器输出增加，并经移相触发器使整流输出电压增加，电枢电流增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负载增加造成的转速降。带转速负反馈的直流调速系统的稳定特性方程为 电动机转速降为 图1 带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构图从稳定特性方程可以看到，如果适当增加放大器放大倍数，电机的转速降将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍速过大，也可能造成系统运行的不稳定。3仿真过程3.1电力系统(SIMULINK)工具箱 在MATLAB软件的SIMULINK仿真工具中，有很多器件库，电路仿真元件库SimPowerSystems库，内部有电源(ElectricalSources)，基本元器件（Elements），特殊元件（Extra Library），电机（Machines），测量仪表（Measurements），以及电力电子（Power Electronice）六个子库。根据需要可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到有关模块库中。 本实验采用MATLAB 7.0.1版本中模块库，其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块，如图2所示：图2 六脉冲触发器、三相晶闸管整流桥、直流电动机3.2仿真原理图带转速负反馈有静差调速系统的仿真模型如图2所示。模型在开环直流调速系统仿真原理图的基础上增加了转速给定，转速反馈n-feed，放大器Gain1和反映放大器输出限幅的饱和特性模块Saturation1，饱和限幅模块的输出是移相触发器的输入，其中转速反馈直接取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数=Un*/nN。-图3带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真模型根据实验原理图在MATLAB软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。3.3仿真过程331仿真具体步骤a、点击图标，打开MATLAB软件，在工具栏里根据提示点击，点击MATLAB ，打开一个对话框，点击里的newmodel，创建一个新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。C、原件库如下图所示图4原件库332所用元器件及其参数设置a.三相交流电源A、B、C（Three Phase Source）图5 三相电源参数设置设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。b6-Pulse Generator图6cUniversal Bridge普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。图7d DC Machine（直流电动机）直流电动机的运行特性主要有两条:一条是工作特性，另一条是机械特性，即转速-转矩特性。分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异。F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。m端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。修改参数电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance）为0.210.0021，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance）为146.70，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance）为0.84，转动惯量（Total inertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为1.9，初始角速度(initial speed)为0.1。图8 直流电机e.Fcn图9f. Un*图10g.直流电源图11 h.放大器，设置放大系数（Gain 1）图12i.ud1图13j.Sum图14k.block图15l.Saturation图16m.Ramp图17n.电感L图183.2.3设定模型仿真参数，仿真时间5s图192.1仿真结果由以上原理图绘制，参数设置，以及波形调试得出以下仿真结果，其波形图如下所示：以下波形分别为转速n，电枢电流Ia，励磁电流If，转矩Ta） 转速nUn*=10, Kp=5时转速响应曲线Un*=10, Kp=10时转速响应曲线Un*=5, Kp=10时转速响应曲线Un*=10,Kp=200时转速响应曲线 b） 电枢电流IaC）励磁电流If f）转矩T 3.1仿真分析从上图仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理论分析的波形。 在额定转速， 时的转速响应曲线如图6a 所示(图中为 ) ，随着放大器放大倍数的增加，系统的稳态转速提高，即稳态转速降减小。图6b 所示为时的电流响应波形，从波形可以看到由于没有电流的限制措施，在起动过程中电流仍很大可达89A 左右。图7b 所示为1/2 额定转速时的转速响应曲线，以 和200 两种情况比较，在时，稳态转速降减小但是调节过程中的振荡次数增加，这从相应的移相控制信号变化也可以看到相同的情况(见图7a) ，由于晶闸管整流器控制的非线性，其输出电压只能在 范围内变化，尽管放大倍数很高，转速还没有出现严重的不稳定现象。4.1总结课程设计是把书本上的知识应用到实际生活的一种方式，通过课程设计我们可以更好的掌握课本上的知识，还可以通过查找资料的同时了解一些前沿的技术与产品，对我们的以后学习生活大有裨益。就如这次课程设计，我需要查找很多资料，学习使用matlab这个从未听说过的软件，在这过程中，锻炼了我们自学的能力，检索资料的能力，分析问题的能力。整流技术作为电力电子中重要的一门技术，应用非常广泛，我们在书本上得到的只是理论上的系统波形，通过matlab的仿真可以验证理论的正确与否，加深对自动控制的理解。当用matlab仿真出现理论波形的时候，真的有一种成就感，自信心得到提升。通过本次课设，自己的动手能力得到进一步加强，深刻的体会到了理论联系实际的重要性，锻炼了自己独立思考完成实际问题的能力，使自己的水平得到进一步的提高，更好的掌握了自己所学的知识。最后对帮助我的老师与同学再次表示感谢！参考文献：1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统运动控制系统第3版M. 北京：机械工业出版社, 2007. 2 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版M. 北京：机械工业出版社, 2000.3 任彦硕. 自动控制原理M. 北京：机械工业出版社, 2006.4 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M. 北京：机械工业出版社, 2006.