直流电动机智能调速仿真研究 直流电动机智能调速仿真研究 摘要 电动机作为把电能转换为机械能的动力设备，已被大范围的应用于工业、农业、国防军事、交通运输等所有的领域。电动机的调速性能，对于提升产品质量、提高劳动生产率、节省电能方面有着直接的决定性影响。研究电机调速控制的先进理论方法和技术，不但可以满足工业生产的实际要求、而且能够提高能源的利用效 率，为国民经济的发展做出重要贡献。MATLAB是目前流行的控制系统仿真软件。由于其强大的功能，已被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对电机调速系统进行仿真...
直流电动机智能调速仿真研究 摘要 电动机作为把电能转换为机械能的动力设备，已被广泛应用于工业、农业、国防军事、交通运输等各个领域。电动机的调速性能，对于提高产品质量、提高劳动生产率、节省电能方面有着直接的决定性影响。研究电机调速控制的先进理论方法和技术，不仅能够完全满足工业生产的实际要求、且能提高能源的利用效 率，为国民经济的发展做出重要贡献。MATLAB是目前流行的控制管理系统仿真软件。由于其强大的功能，已被普遍的应用于控制管理系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对电机调速系统来进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期，有利于选择最佳参数和设计最合理的系统方案。 Abstract As the driving force equipment changing electric energy into mechanical energy, the motor has been broadly used in many fields such as industry,agriclature，national defence，military affairs and traffics．Its performance of speed regulation is important and decisive to improving product quality,labor efficacy,saving electric energy,and SO on．Researches on advanced theories，methods and technologies of motor speed control system，can not only satisfy the practical need of industry production，but also improve the efficiency of source utilizing，and make important contribution to the national economy． MATLAB is the popular simulated software of controlling system．Dut to the powerful function，it has become the necessary tool for calculation，analysis and design of controlling system．Using MATLAB to simulate，analyze and design various motor speed regulation systems，Call shorten developing period，and is beneficial to selecting the most suitable parameters and schemes of systems． 第1章绪论 1．1电机调速系统控制 根据电机使用的电源不同，可以分为交流电机和直流电机两大种类。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制技术的角度来看，又是近年发展迅速的交流调速系统的基础。目前，直流调速系统是自动调速系统的重要形式，特别是基于数字采集和计算机控制的直流调速系统应用广泛，控制算法直接影响到控制系统的性能。众所周知，直流电机具有优越的调速性能，但由于换向器的原因，使其存在使用寿命缩短，维护工作量大的不足之处。然而，交流电机与直流电机相比，具有种种优点，如结构紧凑，便于安装维护等，因此交流电机驱动系统在工业中得到了越来越广泛 的应用，并且近年来它一直是国外很多大公司、大学研究开发的热点。随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性，如机器人系统、纺织过程等。尽管在很多情况下，当我们考虑系统的某些现象时，可以用系统的线性模型来代替系统的非线性模型，然后，对线性模型开展研究。但在工程技术、自然、社会、经济等众多情况下，不可能用系统的简单线性模型作为该真 实系统的替身。人们必须建立真实系统的非线性模型来代替简单容易处理的线调速控制系统的发展现状 直流电机调速性能好，起动转矩大，长期以来被大范围的应用于电力机车、起重机和机床等对电动机的调速性能和起动性能要求高的生产机械上。由于直流电机可以分别控制励磁电流和电枢电流，因此能实现对磁通和转矩的完全解耦控制。直流电机的电磁时间常数较小，使得电枢电流可以迅速变化，从而达到电磁转矩的快速响应。但是，由于直流电机中机械换向器的存在，导致直流电机中存在显 著的换向电流和速度限制，这使得直流电机难以应用于腐蚀性比较强和易燃易爆的场合。 随着各种微处理器的出现和发展，国内外对直流电机控制调速系统的研究也在不断发展和完善，特别是在20世纪80年代，达到了研究的空前繁荣。目前，国外主要电气公司，如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司等，均已开发出数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。而在国内，数字式直流电机调速系统也具有 很大的市场需求。科研单位、大专院以及企业单位等，都在研究开发高性能的直流电机调速系统装置。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现。为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究。如Garcia和Morari于80年代初提出内模控制的算法，由于它的设计原理简单、参数整定直观明了、鲁棒性强、控制性能好，在控制系统中得到广泛应用【1】：文【2】提出用I．P控制器取代PI调节器的方法，它可以减小转速超调；张井岗等人【31依据内模控制原理，提出了直流电动机调速系统的内模控制方法，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系 统获得优良的动态和静态性能；自适应PID算法和模糊PID算法等也是针对晶闸管触发脉冲的控制提出的改进算法，并得到广泛运用【4】。另外，姚勇涛等人【5】依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，提出了直流电动机及直流调速系统的参数辨识的方法，所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。基于模糊神经网络控制技术，设计了一种无刷直流电机的数字调速控制策略，具有很强的模糊推理和自学习能力，。取得令人满意的动静态性能效果，具有很强的鲁棒性和自适应性，为无刷直流电机的智能控制提供了新的理论依据。孙昌志等【7】提出了一种基于嵌入式操作系统的无刷直流电动机模糊控制系统设计方法，将模糊控制和PID控制通过自适应因子结合，在线自调整控制参数，提高了系统的控制精度且系统具有良好的动态性能。 20世纪60年代中期，德国人率先提出了脉宽调锘JJ(PWM)变频的思想，将通信系统中的调制技术应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和应用开辟了道路。特别是70年代以后，科学技术的迅速发展，为交流调速系统迅速发展提供了有利的物资基础和技术条件，使得交流调速系统的性能可与直流调速相媲美，并有逐步替代直流调速的趋势。交流电机变频调速时需要进行电压和频率的协调控制，有电压和频率两种独立的输入变量，如果考虑电压是三相的，实际的输入变量数目还要多。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的转矩。由于这些原因，交流电机是一个多变量系统，而电压、频率、磁通、转速又互相影响，所以是强耦合的多变量系统。近年来，交流电机的控制技术取得了突飞猛进的进展。由于交流电机具有多变量、非线性、强耦合等特性，与直流电机相比，转矩控制更加困难，因此，70年代初，由西德EBlasschke等人首先提出的矢量控制(vecto疋ontr01)理论【弘叭，它应用坐标变换将三相系统等效成两相系统，经过按转子磁场定向的同步旋转坐标变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，从而解决了交流电机的转矩控制问题。目前对调速特性要求较高的生产工艺大都采用了矢量控制型的变频调速装置。受矢量控制的启迪，近年来又派生出诸如多变量解耦控制、变结构滑模控制、自适应控制【协12】等方法，丰富了矢量控制的内涵。1985年德国鲁尔大学的DePenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DirectTorqueControl简称DTC)[13】，其控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。近年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统【I¨5】的研究，无传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，引起了学者广泛的研究兴趣。另外，智能控制，如专家控制、神经元控制、模糊控制和神经模糊控制等是自动控制理论发展的高级阶段，在解决受控对象复杂、难以获得数学模型的复杂过程的问题上，具有经典和现代控制理论不能达到的优势，为提高交流调速系统性能、提高系统的鲁棒性和抗干扰性提供了有效的控制方法，这一研究方向也成为目前交流电动机控制的研究热点。归纳目前大量应用的调速控制系统，并对技术发展和应用需求进行全面分析之后，我们可以
出下列发展趋势： (1)高频化。在功率驱动装置中，低频的半控器件——晶闸管在中小功率范围将会被高频的全控器件——大功率晶体管所代替，这既可提高系统性能，又可改善电网的功率因素。 (2)交流化。由于交流电机本身的优势，交流调速系统取代直流调速系统已成为一种不可逆转的趋势。随着交流调速系统成本的逐步降低，不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代；而且，大量的原来恒速运行的交流传动系统将被改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域，也将采用交流调速系统。 (3)网络化。微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模多机协同工作的高度自动化系统，这就需要计算机网络的支持，传动设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中或分散的生产过程实时监控。 (4)智能化。智能控制如模糊控制、神经网络控制、解耦控制等，已深入到运动控制系统的各个方面，各种智能观测器和辨识技术应用于电机控制系统中，大大改善了控制系统的性能，为电机控制系统的智能化提供了可能。 1．1．2调速控制系统的计算机仿真 调速控制系统的计算机仿真是涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性技术。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地取代纯物理仿真，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、科学及有效的手段。 目前，比较流行的控制系统仿线]，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 T具箱【2l】对其进行计算机仿真研究。MATLAB软件由于其强大的功能，早己被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对各种调速系统进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期。电机调速系统仿真研究的内容包括系统的建模、性能分析、算法设计和优化参数等几个方面。算法设计是仿真的一项重要应用。研究者们可以通过仿真实现 各种算法的控制器设计，利用仿真还可以优化系统参数。就调速系统的MATLAB建模方式而言，主要有三种类型，即基于系统传递函数建模、面向电气原理图结构建模和编制MATLAB语言源程序建模。其中前两种是在MATLAB／Simulink集成环境下建模。这几种方式各有特点，研究者大多使用基于系统传递函数的建模方式。这种方式建模依据系统各部分的传递函数直接建模，运行仿真的时间一般很短，往往在一两秒之间即出结果，非常快捷。近年来，面向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法得到了越来越多的应用，以此进行各种交直流调速系统的仿真，该方法由于使用了Simulink／Power System工具箱中的电力模块，所以搭建的仿真模型正如其名称，与系统的电气原理图结构相似，很直观；但系统模型规模较大，仿真时间较长。由于MATLAB软件能够很好地对电机调速系统进行仿真，因此在本论文中，利用MATLAB特别是Simulink工具箱，构建电机调速系统的仿真模型，对多种智能调速方法的仿真实现、性能分析和算法设计做了深入的研究。在研究方法上，考虑到上述提到的几种仿真方式的特点，进行了多种方式的仿线调速控制系统的技术指标 不同的生产机械，因生产工艺的不同，对电机调速控制系统的性能指标要求也有所不同，归纳起来有下列三个方面： (1)调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，有级或无级地调节转速。 (2)稳速。以一定的精度在要求的转速上稳定运行，不因各种可能的外来扰动(负载变化、电网电压波动等)而产生过大的转速波动，以确保产品质量。 (3)加、减速控制。对频繁启、制动的设备要求尽可能快地加、减速，缩短启、制动时间，以提高生产效率；对不宜经受剧烈速度变化的机械，则要求启、制动尽可能的平稳。 1．2 MATLAB仿真 MATLAB主要由MATLAB主程序、MATLAB工具箱(Toolbox)和SIMULINK动态系统仿真三大部分组成。其中主程序包括MATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五部份：工具箱实际就是用MATLAB的基本语句编写的各种子程序集和函数库，用于解决某一方面的特定问题，实现某一类的新算法：SIMULINK是一个用于动态系统建模、仿真和分析的集成软件包，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能动态地控制该系统。目前的SIMULINK不但可以进行线性系统仿真，也可以进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可实现离散时间系统甚至混合连续一离散时间系统的仿真，它还支持多制采样率的系统仿真；此外，SIMULINK能够用MATLAB本身的语言、C语言或是FORTRAN语言，根据S函数的标准格式写成用户自定义的功能模块。 1．2．1运用MATLAB／SIMULINK建模的特点 MATLAB凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，己成为国际控制界最为流行的计算机辅助设计及教学工具软件。长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即建立准确而快速地仿真模型是至关重要的。而MATLAB提供的动态系统仿真工具 SIMULINK，则是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一种。在SIMULINK中，对系统进行建模将变得非常简单，而且仿真过程是交互的，因此，可以很随意地改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。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。它可以建模与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，可仿真的动态系统复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合类 型的。最近几年，随着计算机仿真软件的发展，调速系统的数学建模及其稳态性能和动态性能的仿真分析己成为对电机系统研究的一个重要方面。运用MATLAB中的电力系统模块库(Power System Blockset)[可以将电气传动控制管理系统设计所需要的复杂算法和先进控制理论相结合，因此运用 MATLAB／SIMULIK来建立准确而有效的调速仿真模型是非常有必要的。运用MATLAB／SIMULINK来建立的调速系统的模型，其通用性强、构造模型简单、修改参数容易、界面友好、功能强大等优点，适宜于系统动态分析，减少了重复劳动，对分析和设计有较高的实用价值。 1．2．2 Simulink模块 Simulink是The MathWorks公司于1990年推出的产品，是在MATLAB环境下建立系统框图和仿线。“Simu”一词表明它可以用计算机模拟，而“Linl(一词表明它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。正式由于Simulink的这两大功能和特色，使它成为仿真领域首选的计算机环境。 Simulink环境下可以使用的电力系统仿真模块库(Power System Blockset)主要是由加拿大的Hydro Quebec和TECSIM International公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法用于系统模型的绘制。 整个Simulink模块库是由若干个模块组构成。在Simulink模块库中，包含连续模块组(Continuous)、离散模块组(Discrete)、函数与表模块组(Function&Tables)、数学运算模块组(Math)、非线性系统模块(Nonlinear)、信号与系统模块组(Signals&Systems)、输出模块组(Sinks)、输入源模块组(Sources)和子系统模块组(Subsystems) 在MATLAB，已经封装好了电系统模块库，在该模块库中有很多模块组，如图1．1所示，主要有电源(Electrical sources)、元件(Elements)、电力电子(PowerElectronics)、电机系统(Machines)、连接器(Connectors)、测量(Measurements)、演示(Demos)模块组等，双击每一个图标都可打开一个模块组。 1．电源模块组 电源模块组包括直流电压源(DC Voltage source)、交流电压源(AC Voltagesource)、交流电流源(AC Current source)、受控电压源(Controlled Voltage source)和受控电流源(Controlled Current source)基本模块等。电源模块组中各基本模块及其图标如图1．2所示。 2．测量模块组 测量模块组包括电压表(Voltage Measurement)、电流表(Current Measurement)、阻抗表(Impedance Measurement)、多用表模块组(Multimeter)和各种附加的子模块组等基本模块。测量模块组中各基本模块及其图标如图1．3所示。 3．元件模块组 元件模块组包括各种电阻、电容、电感元件，各种变压器元件，另外还有一个附加的三相元件予模块组。革个的电阻、电容和电感元件只能通过串联和并联的RLC分支以及它们的负载形式来定义。单个元件的参数设置在串联或并联分支中是不同的，具体设置见表1．1。元件模块组中各基本模块及其图标如图1．4所示。 4．电力电子模块组 电力电子模块包括理想开关(Ideal Switch)、二极管(Diode)、晶闸管(Thyristor)、 功率MOS场效应管(Mosfet)、绝缘门级晶体管(IGBT)等组成，此外还有2个附加 的控制模块组和一个整流桥。电力电子模块组中各基本模块及其圈标如图l。5所 示。 5．电动机系统模块组 电动机系统模块组包括简单同步电动机(Synchronous Machine)、永磁同步电动 机(Permanent Magnet Synchronous Machine)、直流电动机(DC Machine)、异步电动 机(Asynchronous Machine)、励磁系统(Excitation System)、电力系统稳定器(Power System Stabilizer，PSS)和输出信号测量分配器(Machies Measurement Demax)等模 块。电动机系统模块组中各基本模块及其图标如图1．6所示。 7．附加模块组 图1．8是附加测量子模块所包含的模块图标。图1．9是离散型附加控制予模块 组所包含的模块图标。 以上，我们簿要介绍了MATLAB的Simulink和Power System模块库所包含的摸块内容。 第2章开环直流调速系统的仿真 使用MATLAB对控制管理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。本章以开环直流调速系统为研究对象，采用面向电气原理结构图的仿真方法，对典型的开环直流调速系统来进行仿真实验分析。 面向电气原理结构图的仿真方法步骤如下：首先以调速系统的电气原理结构图为基础，弄清楚系统的构成，在电力系统(Power System)和Simulink模块库中找出对应的模块，按系统的结构进行建模；参数设置，在完成各环节的参数设置后，然后对系统中的各个组成环节进行元件进行仿真参数的设置；最后对系统进行仿真实验和仿真结果分析。为了使系统得到好的性能，通常要根据仿真结果来对系统的各个环节进行参数的优化调整。 2．1开环直流调速系统的仿真模型 开环直流调速系统的电气原理结构图如图2．1所示，该系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。20世纪60年代，出现了晶闸管可控整流装置，它具有效率高、体积小、成本低、无噪声等特点，其中，晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上。在控制快速性方面，交流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，大大提高系统的快速性。由晶闸管整流装置给直流电动机供电的调速系统称为v-M系统【241，图2．2是晶闸管．直流调速系统硬件结构图，图2．3是采用面向电气原理结构图方法构建的开环直流调速系统的仿线 开环直流调速系统控制框图 在MATLAB5．2以上版本中增加了一个电力系统(Power System)3-具箱，该工具箱与控制系统工具箱有所不同，用户不需自己编程且不需推导系统的动态数学模型，只需要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件，按电气系统的结构进行连接，系统的建模过程接近实际系统的搭建过程，且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际原件的电气特性，仿真结果具有很高的可信度。 2．2系统的建模和模型参数设置 系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。建模与参数设置的基本原则和方法如下： (1)系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行。 (2)在进行参数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置的参数设置原则是：如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话框中的有关参数应取该装置的实际值：如果是不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真。若仿真结果理想，可认可这些设置的参数；若仿真结果不理想，则通过这些仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。 (3)给定信号的变化范围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系统(闭环系统中使用)等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真实验，不断进行参数优化。具体方法是分别设置这些参数的⋯个较大和较小值进行仿真，秀清它们对系统性能影响的趋势，据此逐步将参数进行优化。 (4)仿真时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。 (5)由于实际系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法更好，这需要逶过仿真实践，从仿真能够进行、仿真的速度、仿真的精度等方面进行比较选择。 2．2．1主电路的建模和参数设置 开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶阑管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闻管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论。所以将触发器归到主电路进行建模。 (1)三相对称交流电压源的建模和参数设置。首先在电源模块组中设置三个交流电压源模块，即A相、B相、C相；然后从连接器模块组中选取“Ground”元件和“Bus Bar”元件并进行连接，如图2．3所示。为了得到三相对称交流电压源，其参数设嚣方法及参数设置如下： 在电压源参数设置对话框(Ac Voltage Source)中设置A相交流电源参数为：幅值(Peak amplitude)取220V、初相位(Phase)为00、频率(Frequency)为50Hz、其它为默认值，如图2．4所示。B、e相交流电源的参数设置，除了将初始相位设置值互差120。外，其它与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。 (2)晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先在电力电子模块组中选取“Universal Bridge”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥”；然后对SCR整流桥进行参数设置如图2．5所示。当采用三相整流桥时，桥臂数(Number ofbridgearms)取3；A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端(Prot configuration)；过渡电阻(Snubber resistance RS)为50000 Ohms；过渡电容(Snubber capacitance Cs)为inf；电力电子元件(Power Electronic device)选择晶闸管；导通电容(Lon)为0 H，正向电压(Forward voltage vf)为0 V。 (3)平波电抗器的建模和参数设置。首先在元件模块组中选取“Series RLCBranch模块，并将模块标签改为“平波电抗器”；然后对平波电抗器进行参数设置，如图2．6所示。平波电抗器的各参数是通过仿真实验比较质得到的优化参数。其中，电阻值(Resistance R)为0 Ohms，电感值(Inductance L)为5e．03 H，电容值(Capacitance C)为inf。 (4)直流电动机的建模和参数设置。首先在电机系统模块组中选取“DCMachine”模块，并将模块标签改为“直流电动机”；直流电动机的励磁绕组接直流恒定励磁电源，励磁电源选取直流电压源模块；电枢绕组”经平波电抗器接晶阑管整流桥的输出；电动机经TL端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te，通过“示波器’’ 模块观察仿真输出。直流电动机参数设置如图2．7所示。其中，电枢绕组电阻和电感(Armature resistance and inductance)为f0．6 0。012]：励磁线圈电阻和电感(Fieldresistance and inductance)为【240 120】；励磁电枢互感系数(Field．armature mutualinductance Laf)为1．8 H；总惯量(Total inertia J)为l；粘滞摩擦系数(Viscous frictioncoefficient Sm)为0；库伦摩擦转矩(Coulomb friction torque TO为0；初始速度(Initialspeed)为l。 (5)同步脉冲触发器的建模和参数设置。工程上通常将触发器和晶闸管整流桥作为～个整体来研究，所以在此处讨论同步脉冲触发器。同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器可从附加控制(Extras Control Blocks)子模块组获得。6脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三 相交流电源的相电压转换成线脉冲触发器及封装后的子系统符号如图2．8所示。其中，U。。为触发装置控制电压；U。、Ub、U。分别为a、b、c三相相电压；In2为触发信号；AB为A、B两相线电压；BC为B、C两相线电压；CA为C、A两相线电压；Block为时钟；Out为输出脉冲信号。 至此，根据圈2．2主电路的连接关系，可建立起主电路的仿线所示。图中触发器开关信号为“0时，开放触发器；为“l时，封锁触发器。 2．2．2控制电路的建模和参数设置 开环直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，在输入源模块组中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号”，将参数设嚣为某个值，此处设为50。实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。将主电路和控制电路的仿真模型按照开环直流调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接，邵可得到图2．3所示的开环直流调速系统仿线系统的仿真参数设置 通过设置在MATLAB模型窝园的“Simulation菜单参数，完成对仿真参数的设置，具体操作如图2．9所示。 在“Simulation parameters⋯”菜单中对仿线所示。 仿真中所选择的计算方法为ode23s(2阶Rosebrock算法)、由于实际系统的多样性，不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法，可通过仿真实践进行比较选择；仿真Start time一般设为0；Stop time根据实际需要而定，一般只要能够仿真出完整的波形就可以了。 2．3仿真分析 根据上述参数设置和控制器设置，可以进行直流调速系统的MATLAB、SIMULINK仿线伏，仿线l所示，可以看出，开环系统的调节速度比较慢，转速在第5秒才接近稳态值。转速的稳态值较大。 由电动机的转速和励磁磁通成反比易知，调节励磁磁通可以改变直流电动机的转速特性。图2．12即为将励磁电压增大到220V时的转速、电流曲线。观察波形可见，转速的稳态值随着励磁电压的增大而明显降低，且调节速度明显加快，1秒以内转速就达到了稳态值。开环直流调速系统速度、电讯曲线l 采用开环系统转速、电流曲线章双闭环直流调速系统的仿真 转速、电流双闭环直流调速系统(Double Loop DC Motor Control System，DLDCMCS)是最常用的直流调速系统之一，因其具有良好的动静态特性和抗扰 性能以及广范围内的平滑调速性能，特别适合应用到龙门刨床、可逆轧钢机、造纸、印染设备及其他直流调速等领域。本章以转速、电流双闭环直流调速系统为研究对象，对转速、电流双环直流调速系统进行MATLAB与Simulink环境建模与仿线转速、电流双闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统主电路模型由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。多环系统的控制电路较复杂。双闭环系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)[28】，分别调节转速和电流，两者实行串级连接，且都带有输出限幅电路。由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定转速，把由电流负反馈组成的环作为内环，以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快的最优控制。 转速、电流双闭环直流调速系统的电气原理结构图如图3．1所示。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套(或称串级)联接，如图3．1所示。同时，我们可以建立图3．2所示的双闭环直流调速系统电路原理图，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了便于MATLAB与Simulink环境仿真实验和建模控制，根据图3．2调速系统电路原理图，建立调速系统的动态结构图，见图3．3所示。 图中％R(s)和‰R(J)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有 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如下： 1．转速调节器的作用 (1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速刀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。 (2)对负载变化起抗扰作用。 (3)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 (1)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(即外环调节器的输出量)变化。 (2)对电网电压的波动起到及时抗扰的作用。 (3)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。 3．2多环调速系统的设计与实现 3．2．1多环调速系统的设计思路 多环调速系统的设计思路的一般步骤是： (1)先设计内环后设计外环，然后将设计好的内环等效成一个环节；在设计外环时，将等效内环作为本环的一个环节来处理，直到设计完整个系统。 (2)在具体设计某个单闭环时，可按照下列步骤进行： ①进行必要的结构图变换和实际系统的近似处理； ②确定将实际系统校正成一类典型系统及进行调节器类型的选择； ③选择调节器的参数； ④计算调节器的电路参数： ⑤设计校验。 3．2．2多环调速系统仿线是采用面向电气原理结构图方法构建的双闭环系统仿真模型。图中，主电路电源部分的接地方式除了通过“Bus bar模块三相共同接地外，也可采用每相分别接地，如图3．4所示。 3．2．3系统的建模和模型参数设置 1．主电路的建模和参数设置 转速、电流双闭环系统主电路的建模和模型参数设置与开环直流调速系统绝大部分相同，详细设置与实现步骤如本论文的第二章所述，这里仅仅说明了平波电抗器参数设置和SCR整流桥参数设置，如图3．5和翻3．6所示。通过仿真实验将平波电抗器的参数设置为：电阻值(Resistance R)为0 Ohms；电感值(Inductance L) 为9e．03 H；电容值(Capacitance C)为info SCR的参数设置为：桥臂数(Number ofbridge arms)取3；A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端(Prot configuration)；过渡电阻(Snubber resistance RS)为50000 Ohms；过渡电容(Snubber capacitance Cs)为infi电力电子元件(Power Electronic device)选择晶闸管；导通电容(Lon)为O H，正向电压(Forward voltage vf)为O V。 2．控制电路的建模和参数设置 转速、电流双}i：l环系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器ASR、电流调节器ACR、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节等。 如图3．4所示，给定环节的参数设为210rad／s，电流反馈系数设为o．1；速度反馈系数设为l。双闭环系统有两个PI调节器一一ACR和ASR，参数设置分别是：ACR：KP=20，K，=1．2，上下限幅值为【1000，．1000】；ASR：KP=10，K，=2．5，上下限幅值为【40，．40】。图3．7描述了ACR调节器的参数设置情况，ASR调节器的参数设置情况与此类似。 3．系统的仿真参数设置 通过对仿真算法的比较实践，本系统选择的计算方法为ode23tb(两阶段隐式龙格一库塔公式)；仿真Start time设为0，Stop time设为2．5。 3．3仿真结果输出及分析 当转速、电流双闭环系统建模和参数设置宪成后，即可开始进行MATLAB与Simulink环境的仿线是转速、电流双闭环调速系统的电压、电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形，具有比较好的效果和性能，能够满足实际的应用要求和工程需要。仿真结果分析如下：启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第三阶段，当转速达到给定值后，转速节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分的作用，其输出还是很大，所以出现超调。转速超调之后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。当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出很快的动态跟随性。当调节器参数选取不合适时，其特性也将发生很大的变化，有时，仿真出来的波形超调量偏大，建立时间偏长，这不满足调速系统稳、准、快的要求，所以在仿真过程中，必须反复调整系统的结构参数。另外，双闭环系统在整个启动过程中，可充分利用电动机的过载能力，将电枢电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，转速直线上升，使过渡过程时间快速缩短。 3．4小结 双闭环调速系统以其快速性好、高稳定性、结构简单、控制方便等优点在直流调速系统中占有主要地位。本章介绍了一种基于MATLAB与Simulink环境仿真实验平台实现双闭环直流调速系统的方法，该方法利用MATLAB平成数据的采集、存储和计算处理，根据实验结果可以准确直观地分析转速、电流双闭环 调速系统的起动过程及动态抗扰性能，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其对系统性能的影响，取得了很好的仿真效果。通过计算机仿真技术，不仅能将一些抽象的问题变得直观易懂，加强了理论和实际的结合，而且使系统参数选择更加科学准确。袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈 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