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1、双闭环直流电机调速系统SIMULINK仿真实验 题 目：双闭环直流调速系统的建模与仿真试验探讨 姓 名： 指导老师： 班 级： 自动化班 完成时间： 2012 双闭环直流调速系统的建模与仿真试验探讨 自动化班 摘 要：利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是非常简洁和直观的，用户可以用图形化的方法干脆建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单干脆启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。驾驭了强大的SIMULINK工具后，会大大增加用户系统仿真的实力。 关键词：matlab；simulink；双闭环；电机；调
2、速 ABSTRUCT：Using simlink software of MATLAB and SimPowerSystems ,it is simple and manifest to simulate the system.Users can build up system model by graph,and run simulative program by pressing the menu of Simulink environment,whose result will display on the monitor.Users capability of simulation w
3、ill be fortified much with the learning of powerful SIMULINK tools. KEY WORD:matlab;simulink;Double closed loop;electric motor;speed regulation 引言 双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调整器。调整器的设计一般包括两个方面:第一选择调
4、整器的结构,以确保系统稳定,同时满意所需的稳态精度. 其次选择调整器的参数,以满意动态性能指标。本文就直流电机调速进行了较系统的探讨，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法探讨，最终用实际系统进行工程设计，并采纳Matlab/Sim-ulink进行仿真。 1.基本原理和系统建模 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调整器,分别调整转速和电流,二者之间实行串联连接. 把转速调整器ASR 的输出当作电流调整器ACR 的输入,再用电流调整器的输出去限制晶闸管整流器的触发装置GT ,TA为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调整环在
5、里面,叫做内环,转速调整环在外边叫做外环,这样就形了转速、电流双闭环调速系统。如图所示： 转速环 电流环 图1 直流电机双闭环调速系统的动态结构图 2.系统设计 调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统, 系统参数：直流电动机：，允许过载倍数；晶闸管装置：；电枢回路总电阻：；时间常数：，；反馈系数：，；反馈滤波时间常数：，。 2. 1 电流调整器的设计 2. 1. 1 计算时间常数 经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts =0. 0017s ,电流环小时间常数Ti = Ts + Toi = 0. 0067s ,电枢回路的电磁时间常数Tl = 0.018s。 2
6、. 1. 2 确定电流调整器结构和参数 依据性能指标要求i 5 % , 保证稳态无误差。把电流环校正成典型I 型系统,其传递函数为:WACR ( s) =Ki (is + 1)/is 式中Ki ,i 分别为电流调整器的比例放大系数和领先时间常数. 其中i = T1 = 0. 018s ,为满意的要求,应取K1Ti = 0. 5 因此: K1 =0.5/ Ti= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系数Ki =K1i R/Ks=0.29故电流调整器的传递函数WACR (s) =0.29(0.018 s + 1)/0.018s经过校验,满意晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满意电流
7、环小时间常数近似处理条件,设计后电流环可以达到的动态指标i = 4. 3 % 5 %满意设计要求。2. 2 速度调整器的设计 2 .2. 1 计算时间常数 电流环等效时间常数:2 Ti = 0. 0134s,转速环小时间常数: Tn = 2 Ti + Ton = 0. 0318s 2. 2. 2 确定转速调整器结构和参数 在转速调整器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的限制对象. 为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调整器必需含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II 型系统,其传递函数为:WASR ( s) = Kn(ns + 1)/ns式中Kn ,n 分别
8、为转速调整器的比例放大系数和领先时间常数. 取中频宽h = 5 ,则ASR 的领先时间常数:n = hTn = 0. 159s ,按Mrmin 准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN =(h + 1)/2 h2 T2n= 118.67s- 1则ASR 的比例放大系数为:Kn =KNnCe TmR=( h + 1)Ce Tm/2 hRTn,则Kn =11.15 经过校验,满意电流环传递函数等效条件,也能满意转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量n = 8. 3 % 10 % 满意设计要求. 为保证电流调整器与转速调整器中的运算放大器工作在线性特性段以及爱护调速系统的各个元件、部件与装置不致
9、损坏,在电流调整器与转速调整器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为- 6+ 6。3. Simulink 仿真试验及结果分析 3. 1 系统起动过程的仿真 3. 1. 1 构建仿真模型 Simulink是 MAT LAB 的一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，Simulink 为用户供应了运用系统模型框图进行组态的仿真平台。只需依据所建立的数学模型从Simulink 模块库中选取合适的模块组合在一起 ,并依据一些详细要求设置好各模块参数即可进行仿真.依据图1和上面计算出的相关参数 ,建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink 动态仿真模型，如图2所示。 图2 双闭环调速系统的
10、模块图 3. 1. 2 仿真 运行 Simulink 仿真模型，输出示波器，得出转速的仿真曲线，如图3所示。 图3 输出转速n波形图 施加阶跃信号，如图4所示。 图4 添加扰动后的双闭环调速系统的模块图 得双闭环调速系统在负载特性改变的扰动状况下 ,转速环的阶跃扰动响应曲线，如图5所示。 图5 扰动后的输出转速n波形图 3.2 结果分析：由上诉波形图分析可知，仿真后的转速输出虽然时间相应符合要求但是超调很大，须要对调整器进行改进。适当减小转速调整器的比例系数和时间常数牺牲调整时间可以减小超调，所以取Kn=7, n=6.3s得如下的输出波形，如图6.所示。 图6 校正后的输出转速n波形图 抗扰性
11、能也比较好，如图7所示。 图7 校正后的抗扰性能 转速环和电流环输出如下所示。 转速环 电流环 图8 校正后的转速环、电流环输出 综上所述，这个调速系统起动特性好、超调量、抗扰性好，设计比较合理。 4.结论 在工程设计时，首先依据典型I型系统或典型型系统的方法计算调整器参数，然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真，敏捷修正调整器参数，直至得到满足的结果。本文通过直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型，对电流调整器和转速调整器进行的设计，选择了调整器的类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和分析。在充分发挥电机过载实力的同时，可以获得良好的静、动态性能，在实际工程中有肯定的应用价值。造成系统工程设计方法与仿真试验之间有差距的缘由是工程设计方法在推导过程中做了很多近似的处理，而这些简化处理在肯定的条件下才能成立，以及仿真试验在建立模型过程中忽视了很多非线性因素和次要因素。合fei学院