第4章-MATLAB与交直流调速系统仿真12级总结

第4章MATLAB与交直流调速系统仿真4.1.1自动控制和自动控制系统介绍自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象，如机器设备、生产过程中的速度、温度、压力等物理量自动的按照预定规律运行或变化的处理过程。并将这种能对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统称为自动控制系统。根据是否把系统输出信号进行反馈并参与控制而将自动控制系统又分为开环控制系统和闭环控制系统。4.1控制系统及控制技术指标与要求4.1.2控制系统的技术指标与要求控制系统的技术指标通常分为静态指标和动态指标两大类。1、静态指标⑴调速范围生产机械要求电动机在额定负载时提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比叫做调速范围，表示为:minmax/nnD⑵静差率调速系统的静差率是指电动机稳定运行时，负载由零增加到额定值时，对应的静态转速降与理想空载转速之比称作静差率S，即000nnnnnSNN2、动态指标⑴跟随指标:调速系统对给定信号的跟随性能一般用在阶段给定信号下系统响应的最大超调量,调节时间ts,振荡次数N3个指标来衡量（2）最大超调量%100maxrefnn指输出响应与给定值的最大偏差量Δnmax(t)与给定值nref(t)之比，即（3）调节时间ts（4）振荡次数N在调整时间内,被调量在稳态值上下摆动的次数调节时间是指输出响应曲线与稳态值之差达到允许范围内(一般取稳态值的±2%或±5%)所需要的时间,而且以后不再超出这个范围。3、抗扰动指标maxn（1）动态速降动态速降是指扰动引起的最大转速偏差（2）恢复时间ft指由扰动作用瞬间到输出量恢复到允许范围内（一般取稳态值的±2%或±5%）所经历的时间。（3）振荡次数N振荡次数N为在恢复时间内被调量在稳态值上下摆动的次数，它代表系统的稳定性和抗扰能力的强弱。4.2.1直流电动机介绍直流电动机是一种将直流电能转换成机械能的装置。由于其带有机械换向器，较比交流电动机结构复杂，生产运行成本较高，并有逐步被交流电动机所取缔。但是由于直流电动机具有启动转矩大，调速范围宽等优势，在轧钢机、电力机车的等方面有一定的应用。4.2直流电动机模型与MATLAB的实现4.2.2直流电动机数学模型以他激式直流电动机为例分析直流电动机数学模型电枢回路的微分方程式：ddddddudtdiLRie机械运动方程edmmdCundtdnTdtndTT22edmmdCunsnTnsTT2将上式在零初始条件下进行拉斯变换,得他激式直流电动机的传递函数为1/1)(2sTsTTCUnXXsWmmdedrc4.2.3直流电动机模型在MATLAB中的实现直流电动机数学模型形式主要有三种表现形式，包括动态微分方程式或者差分方程式、传递函数或者脉冲传递函数、状态空间表达式，1、直流电动机参数计算已知某直流电动机调速系统（在本章中简称系统I），控制系统主回路与直流电动机的主要参数如下：kWPnom150min/1000rnnomAInom70005.0aR电动机：08.0dRmHLd26m主回路：全控桥式整流负载及电动机转动惯量：22125mkgGD计算得到此直流电动机的相关参数：电势常数：)/(185.0100005.07002201mimrVnRIUCnomanomnome转矩常数：mAkgCCeM.18.003.1185.003.1电磁时间常数：sRLTddd025.008.01023机电时间常数：sCCRGDTemdm8.0182.018.037508.0125375218.002.041.518.08.0025.0185.0111)(222sssssTsTTCXXsWmmderc2、直流电动机数学模型的传递函数形式实现直流电动机数学模型的传递函数表达形式:50405.27018.002.041.5)(22sssssW电动机模型位于SimPowerSystems工具箱下machines库中的DCmachinesF＋和F-:此端子为直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正极与负极；A＋和A-:电动机电枢回路控制端；TL：电动机的负载转矩信号输入端；m:电动机信号的测试端，包括转速w(rad/s),电枢电流Ia（A），励磁电流If（A），电磁转矩Te（N.m）。4、基于电气原理图的直流电动机数学模型实现查看此模型方法是通过选择电机模型，在右键弹出式菜单中，点击Lookundermask，即可实现。直流电动机的参数设置ArmatureresistanceandinductanceRa(ohms)和La(H):电枢电阻和电感；FieldresistanceandInductanceRf(ohms)和Lf(H):励磁回路电阻和电感Field-armaturemutualInductanceLaf(H)：电枢与励磁回路互感；TotalinertiaJ(kg.m^2)：电机转动惯量(kg.m^2)；ViscousfrictioncoefficientBm(N.m.s)：粘滞摩擦系数(N.m.s)；CoulombfrictiontorqueTf(N.m)：静摩擦转矩(N.m)；Initialspeed(rad/s)：初始速度。4.3.1直流调速系统控制方案根据电动机的转速表达式：edddCRiun可以看出，直流电动机调节转速有以下三种方法：（1）调节电枢电压调速；（2）改变电动机励磁调速；（3）改变电枢回路电阻调速。4.3直流调速系统与MATLAB仿真实现例：改变电枢回路电阻调速来说明在MATLAB的实现1.使用模块(1)直流电动机(DC-Motor)（2）直流电压源（E、Ef）模块取自SimPowerSystems工具箱中的ElectricalSources库里的DCvoltagesource模块。直流电压E为直流电机的电枢回路电压，直流电压Ef直流电机的励磁电压,二者参数（Amplitude）设置为240。（3）断路器（Breaker）断路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的Breaker模块（4）调速电阻（R）调速电阻选自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的seriesRLCbranch模块，为了说明问题，两只调速电阻都选择20欧姆（5）断路器控制信号（Step）断路器通断控制采用阶跃信号与模块的控制端连接实现，直流电动机的加速点分别设置在5秒和10秒时刻，因此将阶跃信号的跳变点时间分别为5秒和10秒。（6）其他模块其他模块还包括比例模块、接地模块、信号分离器以及相关的示波器。2、仿真参数设置仿真算法选择ode15s算法，仿真开始时间为0，停止时间设置为15。3、仿真结果电动机的转速波形图电枢电流波形图电磁转矩波形图4.3.2开环直流调速控制系统与仿真电机控制系统根据控制系统的结构形式的不同,分成开环直流调速控制系统与闭环直流调速控制系统。(一)开环直流调速控制系统组成开环直流调速控制系统通常采用调节电枢电压方案。由晶闸管整流器和电动机实现开环系统结构，如图。系统的最终控制对象是电动机转轴上的转速n。“”符号的含意同步移相触发电路GT*nU(1)晶闸管触发和整流装置的传递函数把触发电路GT和可控整流桥V合并，当作一个环节来看待输入量Uct输出量Udo是一个放大系数为Ks的纯滞后的放大环节，滞后是由装置的失控时间引起的。()GTVctUdoU（二）开环直流调速控制系统仿真1、基于数学模型的开环直流调速系统仿真设滞后的时间是Ts秒()()()1dosctsUsKWsUsTs整流装置的传递函数为整流装置的动态结构图mfTs21m——脉波数，f——电源频率电路形式单相半波单相桥式三相半波三相桥式一周内脉波数m1236延时时间TS/ms1053.331.67(2)直流电动机的传递函数他励直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：直流电机稳态时有gJGD42称为飞轮矩)(2mNdtdnGDTTEdtdILRIULeddddo3752(2)(1)式整理得：dlMLdMeeICTICTCEn/(1)(2)dtdECCGDIIdtdILRIEUeMdLdddddo3752(2)MemCCRGDT3752令dtdERTIIdtdILRIEUmdLdddddo(2)Tm--机电时间常数(2)式整理得：(3)dtdECCGDIIdtdILRIEUeMdLdddddo3752(3)式两侧进行拉氏变换得：整理成输出比输入的传递函数的形式：ssERTsIsIsTRsIsLRsIsEsUmdLddddddo)()()()1()())(()()(RLTdd电磁时间常数sTRsIsIsEsTRsEsUsImdLdddod)()()(1/1)()()(对两个等式分别画出它们的动态结构图，()()()ddLmEsRIsIsTssTRsEsUsIddod1/1)()()(并考虑到即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图：输入量：理想空载电压Udo（控制输入量），负载电流IdL（扰动输入量）。输出量：转速neCEn/加入触发整流环节，便得开环直流调速控制系统动态结构图已知某直流电动机调速系统（在本章中简称系统I），控制系统主回路与直流电动机的主要参数如下：kWPnom150min/1000rnnomAInom70005.0aR电动机：08.0dRmHLd26m主回路：全控桥式整流负载及电动机转动惯量：22125mkgGD计算得到此直流电动机的相关参数：电势常数：)/(185.0100005.07002201mimrVnRIUCnomanomnome转矩常数：mAkgCCeM.18.003.1185.003.1电磁时间常数：sRLTddd025.008.01023机电时间常数：sCCRGDTemdm8.0182.018.037508.012537522310220*05.1*05.1**0nmnomnmdsUUUUK可控整流器:可以计算得到晶闸管装置放大系数：允许过载倍数λ=1.5smfTs0017.05062121晶闸管整流装置滞后时间常数：选取最大输入模拟量为10V即选取最大输入模拟量为10V即VUnm10*选取最大输入模拟量为10V得到系统1开环控制的动态结构图（2）开环直流调速系统仿真实现Step参数设置及系统对应波形Step参数设置及系统对应波形2.基于电气原理图的系统仿真（1）三相对称交流电源模型从SimPowerSystems工具箱中ElectricalSources（电源）库中选择ACVoltagesource模块（2）晶闸管整流器模型从SimPowerSystems工具箱中PowerElectronics(电力电子)库选取UniversalBridge(通用桥)模块（3）直流电动机模型（4）主回路平波电抗器(1mH)模型从Elements模型库中，选取SeriesRLCBranch模型（5）同步脉冲触发器模型（7）其他模块三个Constant（常数模块）；以及用来观测电机变量的四个ToWorkspace（输出到工作空间模块），并设置输出变量名分别为为w、Ia、If、Te，w参数设置如图。仿真参数选择，ode23s;仿真时间Starttime设为0，Stoptime设为10。如何查看w、Ia、If、Te的波形？在MATLAB的CommandWindow窗口输入plot()语句便可，如图所示。电流、转速双闭环直流调速控制系统结构框图测速装置：直流测速发电机TG，输出电压与转速n成正比，转速反馈值Un转速调节器ASR。电流调节器ACR。4.3.3直流调速双闭环控制系统仿真电流调节器的作用•作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的主要作用是