双闭环直流调速系统仿真

26双闭环直流调速系统仿真利用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。在教材2.3－2.4节中，对工程实践中用得最多的典型Ⅰ型系统和典型II型系统的设计方法进行了详细的分析，在此基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对工程设计方法的理解。下面就以例题2－1，2－2设计的转速、电流反馈控制的直流调速系统为例，学习SIMULINK软件的运动控制系统仿真方法。1．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2-52SIMULINK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File→New→Model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。在本例中，需要打开SimPowerSystems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和Three-PhaseTransfomer模块拖入模型编辑窗口，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，27从Connectors组选中Ground和TConnector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；此外，我们还需要ASR、ACR和PulseGenerator三个子系统模块。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。如图2-53所示。图2-53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。在本例中，双击加法器模块Sum，打开如图2-54所示的对话框，在ListofSigns栏目描述加法器三路输入的符号，其中|表示该路没有信号，所以用|+-取代原来的符号，得到动态结构框图中所需的减法器模块了。28图2-54加法器模块对话框双击传递函数模块（TransferFcn），则将打开如图2-55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[0.0021]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2-55传递函数模块对话框双击阶跃输入模块(Step)可以把阶跃时刻(Steptime)参数从默认的1改到0，把阶跃值(Finalvalue)从默认的1改到10。29图2-56阶跃输入模块对话框双击交流电压源(ACVoltageSource)得到下图2-57，修改峰值（Peakamplitude）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ACVoltageSource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ACVoltageSource进行修改。）图2-57交流电压源模块对话框双击直流电压源模块（DCVoltageSource）得到下图2-58，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。30图2-58直流电压源模块对话框双击三相变压器模块出现下图2-59对话框。修改额定功率和频率项（Nominalpowerandfrequency）为[2e6，50]。对于提供电机电源的变压器，选择其ABC原边绕组联结（Winding1(ABC)connection）为Delta(D11)（三角形，电压相位领先Y联结30°），修改绕组参数（Windingparameters）为380（相电压V1Ph-Ph）；选择abc副边绕组联结（Winding2(abc)connection）为Y(星形，无中线)，修改绕组参数(Windingparameters)为213（相电压V2Ph-Ph）。对于提供同步脉冲电源的变压器，选择其ABC原边绕组联结为Delta(D11)，修改绕组参数为380；选择abc副边绕组联结为Y，修改绕组参数为15；修改其磁阻（Rm）为500，励磁电感（Lm）为500。图2-59变压器模块对话框31三相桥式可控整流电路模块（6-pulsethyristorbridge）的A、B、C三个输入端连接三相电源或三相变压器的二次侧；它的两个输出端K和A，则输出整流后的直流电压，其中K端为“+”，A端为“-”。模型的脉冲输入端pulse用于接入晶闸管的触发信号。双击模块弹出对话框图2-60。四个参数分别是导通电阻（Thyristoron-stateresitance）、导通电感(Thyristoron-stateinductance)、缓冲电阻(Snubberresistance)、缓冲电容(Snubbercapacitance)。图2-60三相可控整流电路模块对话框直流电机模块（DCMachine），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。双击模块打开对话框图2-61。修改参数电枢电阻和电感（Armatureresistanceandinductance）为[0.210.0021]，励磁电阻和电感（Fieldresistanceandinductance）为[146.70]，励磁和电枢互感（Field-armaturemutualinductance）为0.84，转动惯量（Totalinertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscousfrictioncoefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulombfrictiontorque）为1.9，初始角速度(initialspeed)为0.1。32图2-61直流电机模块对话框双击Gain可修改增益。图2-62增益模块对话框双击SeriesRLCBranch,可依次修改电阻、电感和电容。33图2-63RLC串联电路模块对话框双击示波器出现图2-64，点击，即可打开图2-65(a)所示对话框。改变Numberofaxes就可改变接入信号的个数。还可以右击选择Axesproporties得到图2-65(b)，通过修改Title来设置所显示参量的名字。图2-64示波器模块对话框34图2-65(a)示波器参数修改对话框图2-65(b)示波器坐标轴参数修改对话框双击信号分解模块(Demux)，通过修改(Numberofoutputs)可以改变输出信号的个数。图2-66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LookunderMask查看其内部结构。35图2-67ASR、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2-68(a)所示：如图2-68(a)ASR、ACR模块参数修改对话框PulseGenerator的机构如下图2-68(b)所示，主要是一个同步6脉冲触发器，由子系统（如图2-68(c)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α。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。36图2-68(b)图2-68(c)完成了对模块参数的调整后就可以(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2-53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Format→RotateBlock菜单项可使模块旋转90°；选取Format→FlipBlock菜单项可使模块翻转。37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2-70所示。图2-70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Simulation→Start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2-71所示。38图2-71直接仿真结果(2)仿真参数的设置：从图2-71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2-70Simulink模型窗口的Simulation→Simulationparameters菜单项，打开如图5-72所示的对话框，对仿真控制参数进行设置。图2-72Simulink仿真控制参数对话框其中的Starttime和Stoptime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39下限，从而得到了图2-73所示的清晰图形。图2-73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2-70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。例如：以KT=0.25的关系式按典型Ⅰ型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为ss03.0)103.0(5067.0，很快地得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图2-74所示，无超调，但上升时间长；以KT=1.0的关系式得到了PI调节器的传递函数为ss03.0)103.0(027.2，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图2-75所示，超调大，但上升时间短。图2-73~图2-75反映了PI调节器的参数对系统品质的影响趋势，在