基于MATLAB的双闭环可逆直流调速系统的仿真研究_李威震

收稿日期:2004-03-18第21卷第11期计算机仿真2004年11月文章编号:1006-9348(2004)11-0042-03基于MATLAB的双闭环可逆直流调速系统的仿真研究李威震,于敬玲(淮海工学院电子系,江苏连云港222000)摘要:该文对双闭环无环流可逆直流调速系统进行了计算机仿真研究。双闭环可逆直流调速系统是一个复杂的自动控制系统,在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整。运用传统的设计方法工作量大,系统调试困难。随着计算机技术的发展,在软件和硬件方面提供了良好的设计平台。该文运用MATLAB软件建立了调速系统的仿真模型。在建立系统计算机仿真模型时,由于系统复杂,首先利用MATLAB的子系统模块将主电路和触发电路封装成一个子系统;然后将子系统与其他模块一起组成整个调速系统的仿真模型。利用SIMULINK中仿真功能对系统进行了仿真,仿真的结果证明了该方法的可行性、合理性。利用仿真技术可以很大程度地减少双闭环可逆直流调速系统设计和调试强度。关键词:仿真;子系统;封装;双闭环可逆直流调速系统中图分类号:TP391.9文献标识码:ASimulationofDCDouble-loopsSpeedControlSystemBasedonMATLABLIWei-zhen,YUJing-ling(HuaihaiInstituteofTechnology,LianyungangJiangsu222000,China)ABSTRACT:ThispaperprovidesaresearchaboutthesimulationofDCdouble-loopspeedcontrolsystem.Inthecomplexsystemdesigned,therearemanyparametersthatneedtobecalculatedandadjusted.Forthetraditionalmethod,thedesignworkishard.Itisdifficulttoregulate.Withdevelopmentofcomputertechnology,itprovidesaplatformwithhardwareandsoftware.ThesystemsimulationmodelisbuiltwiththeMATLABsoftware.Whenthesystemmodelismade,asubsystemispackedwithmaincircuitandtriggercircuit.Theresultofthesimulationispracticalandreasonable.Thedesignworkcanbemuchreducedwhenusingthesimulationtechnology.KEYWORDS:Simulation;Subsystem;Packed;DCdouble-loopspeedcontrolsystem1概述用计算机仿真方法研究电路的性能,方便、直观、经济、有效,是进行电路分析和设计的常用方法。随着计算机硬件技术和软件技术的发展,为应用系统的研究提供了强大的工具。直流调速系统在工矿企业应用广泛,它是电力拖动控制系统的一个重要的研究方向。双闭环可逆直流调速系统结构复杂,在研究和设计的过程中,许多参数的选择需要反复调试,运用计算机仿真技术对系统进行仿真,将会为研究和设计工作提供有力的支持,在计算机仿真系统时,可以方便地对参数进行设置,得到合理的参数组合,为系统的实现提供条件。本文采用MATLAB/SINMULINK模块库构造了双闭环可逆直流调速系统的模型,并进行了仿真,给出了仿真条件下的电流转速仿真波形。2双闭环可逆直流调速系统的原理结构双闭环可逆直流调速系统是一个较为复杂的控制系统,主电路由反并联的两组可控整流电路组成。根据系统要求,主电路中没有设置均衡电抗器,只设置了平波电抗器[2][3]。采用双闭环控制,控制回路由电流调节环和转速调节环电路组成。要求采用无环流的控制方式实现对系统的控制,因此本文是以逻辑无环流的双闭环可逆直流调速系统为对象进行研究的,其设计、工作原理在[2]中,已有完整的阐述。双闭环可逆直流调速系统的原理结构图如图1所示。在图1系统原理结构图中,设置了两个调节器,分别调节转速和电流,两者之间实行串级联接,即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制)42)晶闸管的触发装置。电流调节环在里面,是内环;转速调节环在外面,是外环。为了获得良好的静、动态性能,转速、电流双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器。图1双闭环可逆直流调速系统的原理结构图无环流逻辑控制的任务是:在主电路工作时,正组晶闸管ZKZ工作,封锁反组脉冲;反组晶闸管FKZ工作时,封锁正组脉冲。通常采用数字逻辑电路,其输出信号Ufz和Uff以0和1的数字形式来执行两种封锁和开放的作用,0表示封锁,1表示开放,二者不能同时为1,以确保两组不会同时开放。通过控制给定信号的大小和极性,达到实现可逆调速的目的。运用逻辑无环流控制电路,实现系统的无环流控制。3基于SIMULINK模块的双闭环可逆直流调速系统的模型3.1主电路的子系统模型在图1中,由于系统比较复杂,在系统仿真模型的建立时,如果把每个细节都放在一个SIMULINK的工作视窗中过于庞大,不容易实现,所以考虑首先针对反并联的主电路建立一个子系统。主电路的子系统模型如图2所示。这个子系统有三相电源、两组反并联整流电路、两组触发电路和逻辑无环流电路组成,利用SIMULINK的子系统(SUBSYSTEM)模块库功能,把图2进行封装,形成一个子系统模型。然后在将子系统应用到整个系统中进行仿真。需要说明的是,在图2中触发脉冲形成模块是由更小的子系统封装而成的。建模的过程是:利用SIMULINK电源模块中整流模块,将反并联的主电路仿真模型做到一起;触发电路电路模块是一个小的子系统;逻辑无环流是另外一个小的子系统。将几个部分在SIMULINK工作窗中进行装配,形成主电路子系统仿真模型。图2反并联主电路子系统模型3.2系统仿真模型系统仿真模型的建立过程是,创建一个新的SIMULINK工作窗,选择SIMULINK的元件库中的有关元件,将图2子系统封装成系统仿真图3中的SUBSYSETEM模块,与其它元件一起构成系统仿真图。图3无环流的双闭环可逆调速系统仿真模型。图3系统仿真模型)43)图3中ASR是速度调节器模块,构成速度闭环,完成对速度的自动调节;ACR是电流调节器模块,在仿真图中用到了两块电流调节器模块,ACR在电机正转时,构成电流环对电流起调节作用;ACR1在电机反转时,构成电流环起调节作用。两个调节器的相关参数在设置调节器模块时,可通过其属性窗口进行设置。在仿真过程中,可以方便地对参数进行调整,直到得到满意的仿真效果。还用到了直流电机模块DCMACHINE、示波器SCOPE电压表模块V等。在图3中,当改变给定信号的数值时,就可以在仿真时通过示波器SCOPE观察到电流的变化和速度的变化仿真波形。调整电流调节器和速度调节器的参数,可以改变系统的过渡过程。4仿真实例在仿真的过程中,交流电压的有效值为220V,电源频率为50HZ,电枢回路总电阻R=2.58,电动机回路电磁时间常数TL=0.017s,电动机机电时间常数TM=0.076s,电动机电势常数Ce=0.1352V/(r*min-1),晶闸管装置放大倍数KS=30,晶闸管整流电路滞后时间TS=0.0017s。电流环、转速环数字控制器的设计,是一个重要的部分。通常把电流环校正成典型I型系统,电流调节器为PI调节器;把转速环校正为II型系统,转速调节器也为PI调节器。电流调节器的传递函数为:WLT(S)=KPI1+1Ss(1)转速调节器的传递函数为:WST(S)=KPN1+1Sns(2)在调节器的比例系数的计算中,通过设计,参考了文献[3]的结果,两个比例系数分别为:KPI=0.93,KPN=0.344。从图4中可以看出,正、反转的电流转速波形非常理想,通过仿真可以为电路的设计和参数的选择提供参考,也可以作为教学过程中仿真教学参考。图4采用SIMULINK模块的电流转速仿真波形5结论采用MATLAB软件的SIMULINK模块,可以建立直流调速系统的仿真模型,方法是可行的,仿真的结果是合理的。该仿真方法可以在直流调速系统的分析和设计中得到广泛应用。参考文献:[1]薛定雨.控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及其应用[M].北京:清华大学出版社,1996.[2]陈伯时.自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1981.[3]黄一夫.微型计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,1988.[4]张志涌,刘瑞桢,杨祖樱.掌握和精通MATLAB[M].北京:北京航空航天大学出版社1997.[作者简介]李威震(1965.4.),男(汉族),河南安阳人,计算机应用专业在读硕士,讲师,主要研究方向:电工技术及电气自动化;于敬玲(1969.5.),女(汉族),江苏连云港人,实验师.主要研究方向:电工电子实验技术。(上接第3页)优化的功能,为制定飞机结构战伤抢修预案提供依据。参考文献:[1]涂明武.某型飞机战伤仿真系统研究[J].空军第一航空学院学报,2003,(1).[2]ACombatBattleDamageAssessExpertSystem[R].AD-A148898,1984.[3]MWeisenbachandGBennett.AIAA-2689,AircraftBattleDamageRepairEstimatingProceduresandEffectivenessImpacts[M].Aeronau-ticalSystemsDiv,WrightPattersonAFB,OH.1986.[4]DennisHKovatch.ModellingAircraftCombatDamageRepair[C].ProceedingsAnnualReliabilityandMaintainabilitySymposium.1984.[作者简介]涂明武(1968.10-),男(汉族),河南信阳人,博士,教授,飞机战伤抢修研究所所长,主要研究方向为飞机战伤抢修理论和飞机战伤仿真,获军队科技进步一、二等奖各一项;张建华(1963-),男(汉族),陕西西安人,教授,训练部长,主要研究方向:飞机战伤抢修理论与技术;侯日立(1966-),男(侗族),湖南淑浦人,高工,主要研究方向:航空修理;孙峰山(1976-),男(汉族),吉林九台人,工程师,主要研究方向:飞机战伤机理仿真。)44)