基于matlab的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計與仿真

1、基于matlab的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計與仿真 摘要： 針對直流調(diào)速系統(tǒng)理論設計與實際要求相差較大的現(xiàn)象，本文利用matlab/simulink仿真平臺對直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設計結(jié)果進行仿真；通過系統(tǒng)仿真以靈活調(diào)節(jié)各項參數(shù)，從而獲得理想的設計結(jié)果；實踐表明，利用仿真技術(shù)可以大大地減少直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計和調(diào)試強度。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 理論設計 系統(tǒng)仿真中圖分類號：TP183；TM342 文獻標識碼：B0 前言在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計中，在理論設計基礎上根據(jù)實際系統(tǒng)運行情況作參數(shù)的調(diào)整是系統(tǒng)設計調(diào)試過程必不可少的一部分。原因在于系統(tǒng)的實際參數(shù)，往往與理論設計時所用的值有一定的誤差，而且系統(tǒng)某些環(huán)

2、節(jié)非線性因素影響會使系統(tǒng)在理論設計參數(shù)后并不能立即獲得理想的調(diào)速性能，因此需要通過調(diào)試過程才能獲得理想性能。傳統(tǒng)的調(diào)試方法不僅增加系統(tǒng)的設計與調(diào)試強度而且不易產(chǎn)生預期結(jié)果。matlab/simulink仿真平臺是基于模型化圖形組態(tài)的動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，利用這種仿真工具可以不運行實際系統(tǒng)，只要在計算機上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對象的運行狀態(tài)及其隨時間變化的過程。通過對數(shù)字仿真模型的運行過程的觀察和設計，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計和推斷實際系統(tǒng)的真實參數(shù)和真實性。而且可以非常方便地完成調(diào)試過程且能十分直觀地得到系統(tǒng)輸出波形。利用matlab/simulink仿真工具有效地

3、對直流調(diào)速系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)試，可以非常直觀地觀察電動機電流和轉(zhuǎn)速響應情況進行靜態(tài)和動態(tài)分析，是目前國際上廣泛流行的工程仿真技術(shù)。 本文利用 matlab仿真工具對直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析，通過仿真方法來調(diào)整理論設計所得的參數(shù)，找出系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)，仿真結(jié)果可以用來指導實際系統(tǒng)的設計。1 直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設計1.1 系統(tǒng)組成及要求 本文研究的對象為電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)參數(shù)如下：電動機：；允許過載倍數(shù)： ；三相橋式整流裝置放大倍數(shù)：；電樞回路總電阻： ；時間常數(shù)： ；，電流反饋系數(shù)：；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：。設計要求：（1）穩(wěn)態(tài)指標：無靜差；（2）動態(tài)指標：

4、電流超調(diào)量，啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量；1.2 電流調(diào)節(jié)器設計1：確定時間常數(shù)。（1）整流裝置滯后時間常數(shù) 三相橋式電路的平均失控時間；（2）電流濾波時間常數(shù) 三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應該有,因此??；（3）電流環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)近似處理，取。圖1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2：確定將電流環(huán)設計成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設計要求：，而且 ，因此設計成典型I型系統(tǒng)。3：電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 電流調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器（PI）,其傳遞函數(shù)為。4：選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：； 電流開環(huán)增益：因要求，故取，因此，于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為5：校驗

5、近似條件 電流環(huán)截止頻率 1）校驗晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足：，因為，所以滿足近似條件； 2）校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足：，由于，滿足近似條件； 3) 校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件：，由于，滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設計指標要求和近似條件。1.3 速度調(diào)節(jié)器設計1：確定時間常數(shù)。（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為；（2）電流濾波時間常數(shù)根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取；（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取。2：確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設計成何種典型系統(tǒng) 由于設計要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)設計要求，應按典型II型系統(tǒng)設計轉(zhuǎn)速環(huán)。

6、3：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器（PI）,其傳遞函數(shù)為。4：選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按照跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為 ，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為 5：校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 1）校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足，由于，滿足簡化條件； 2）校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件：，由于，滿足近似條件。3）核算轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當h=5時，而，因此能滿足設計要求。2 系統(tǒng)仿真1.1 理論計算參數(shù)仿真分析根據(jù)理論設計結(jié)果，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖2 所示。 在額定轉(zhuǎn)速和空載下，對系統(tǒng)進行仿真得到電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速的

7、仿真輸出波形，如圖3。圖2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖3額定轉(zhuǎn)速空載時轉(zhuǎn)速仿真波形 圖4調(diào)整后的轉(zhuǎn)速仿真波形從圖3中可知：1：轉(zhuǎn)速超調(diào)量為25%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量過大，系統(tǒng)相對穩(wěn)定性弱；2：整個起動過程只需0.6 秒，系統(tǒng)的快速性較好。1.2 仿真調(diào)試分析通過以上仿真分析，與理想的電動機起動特性相比，仿真的結(jié)果與理論設計具有差距。為什么會出現(xiàn)上述情況，從理論的設計過程中不難看出，因為在“典型系統(tǒng)的最佳設計法”時，將一些非線性環(huán)節(jié)簡化為線性環(huán)節(jié)來處理，如滯后環(huán)節(jié)近似為一階慣性，調(diào)節(jié)器的限幅輸出特性近似為線性環(huán)節(jié)等。經(jīng)過大量仿真調(diào)試，改變電流和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，兼顧電流、轉(zhuǎn)速超調(diào)量和起動時間性能指標，找出最佳參數(shù)為：，；，。其轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。從圖4中可知：1：轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量為 6%，超調(diào)量符合要求。2：整個起動過程約為 0.8 秒，系統(tǒng)的快速性仍較好。3結(jié)論以上分析表明，利用matlab仿真平臺對直流調(diào)速系統(tǒng)理論設計與調(diào)試使得系統(tǒng)的性能分析過程簡單。通過對系統(tǒng)進行仿真，可以準確地了解到理論設計與實際系統(tǒng)之間的偏差，逐步改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，得到最優(yōu)調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得系統(tǒng)的調(diào)試得到簡化，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)設計周期。該仿真方法必將在直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與調(diào)試中得到廣泛應用。參考文獻：1 陳伯時.電