1、雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統設計(matlab simulink 仿真)前言許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節，并且要求具有良好的穩態、動態性能。而直流調速系統調速范圍廣、靜差率小、穩定性好以及具有良好的動態性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統。雙閉環直流調速系統是直流調速控制系統中發展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強等優點。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環的調速系統可以再保證系統穩定的條件下實現轉速無

2、靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。在單閉環系統中，只有電流截止至負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度啟動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這時，啟動電流成方波

3、形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流轉矩的條件下調速系統所能得到的最快的啟動過程。隨著社會化大生產的不斷發展，電力傳動裝置在現代化工業生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝、產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實現制動調速，因此我們就要對這樣的自動調速系統作一些深入的了解和研究。本次設計的課題是雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由檢測電路，驅動電路構成，檢測電路又包括轉速檢測和電流檢測等部分。按電機的類型不同,電氣傳動又分交流調速和直流調速。直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,

4、就是通過改變電動機的參數或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩定運轉速度發生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調速系統發展很快，然而直流拖動系統無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統的基礎，所以直流調速系統在生產生活中有著舉足輕重的作用。另一方面，需要指出的是電氣傳動與自動控制有著密切的關系。調速傳動的控制裝置主要是各種電力

5、電子變流器，它為電動機提供可控的直流或交流電流，并成為弱電控制強電的媒介。可以說，電力電子技術的進步是電氣傳動調速系統發展的有力地推動。把這兩者結合起來研究直流調速系統，更有利于對直流調速系統的全面認識.一、設計目的1通過對實際綜合實驗的培養，加強學生的實際動手能力。2學習仿真軟件Matlab的應用。3熟悉相關實驗裝置。4加深對電力拖動自動控制系統這一課程的認識，培養學生綜合專業知識的能力。5.了解雙閉環不可逆直流調速系統的原理,組成及各主要單元部件的原理.二、設計要求1電流超調量%5% 2過渡過程盡可能3.中頻寬h=5三、雙閉環直流調速系統的工作原理1.雙閉環直流調速系統的介紹雙閉

6、環（轉速環、電流環）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強的優點。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環調速系統可以在保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。在單閉環系統中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不

7、能很理想的控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖1-（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。IdLntIdO

8、IdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 (b)理想快速起動過程圖1 調速系統起動過程的電流和轉速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節器的輸入端，到達穩態轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發揮主作用，因此我們采用雙閉環調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種

9、負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.雙閉環直流調速系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置。從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫做內環；轉速環在外面，叫做外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。該雙閉環調速系統的兩個調節器ASR和ACR一般都采用PI調節器。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面

10、的要求。一般的調速系統要求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。圖2 轉速、電流雙閉環直流調速系統圖中U*n、Un轉速給定電壓和轉速反饋電壓U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG測速發電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器3雙閉環直流調速系統的穩太結構圖和靜特性首先要畫出雙閉環直流系統的穩態結構圖如圖3所示，分析雙閉環調速系統靜特性的關鍵是掌握PI調節器的穩太特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI作

11、用使輸入偏差電壓在穩太時總是為零。圖3 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。4雙閉環直流調速系統的數學模型雙閉環控制系統數學模型的主要形式仍然是以傳遞函數或零極點模型為基礎的系統動態結構圖。雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如圖4所示。圖中和分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖4：U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WAC

12、R(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E5. 雙閉環直流調速系統兩個調節器的作用1） 轉速調節器的作用使轉速n跟隨給定電壓變化，當偏差電壓為零時，實現穩態無靜差；對負載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。2)電流調節器的作用在轉速調節過程中，使電流跟隨其給定電壓變化；對電網電壓波動起及時抗擾作用；起動時保證獲得允許的最大電流，使系統獲得最大加速度起動；當電機過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統能夠自動恢復正常。四、仿真軟件介紹利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統模塊庫(SimPowerS

13、ystems)進行系統仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統的模型，并通過SIMULINK環境中的菜單直接啟動系統的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來。掌握了強大的SIMULINK工具后，會大大增強用戶系統仿真的能力。MATLAB下的SIMULINK軟件具有強大的功能，而且在不斷地得到發展，隨著它的版本的更新，各個版本的模塊瀏覽器的表示形式略有不同，但本書所采用的都是基本仿真模塊，可以在有關的組中找到，在進一步地學習和應用SIMULINK軟件的其它模塊后，會為工程設計帶來便捷和精確。在工程設計時，首先根據典型I型系統或典型型系統的方法計算調節器參數，然后利用MAT

14、LAB下的SIMULINK軟件進行仿真，靈活修正調節器參數，直至得到滿意的結果。也可用MATLAB仿真軟件包的設計工具箱設計其它各種控制規律的調節器，鑒于篇幅不一一展開。電子計算機的出現和發展是現代科學技術的巨大成就之一。它對科學計術的幾乎一切領域，特別對數值計算，數據處理，統計分析，人工智能以及自動控制等方面產生了極其深遠的影響。熟練掌握利用計算機進行科學研究和工程應用的技術，已經成為廣大科研設技人員必須具備的基本能力之一。大部分從事科學研究和工程應用的讀者朋友可能都已經注意到并為之所困擾的是，當我們的計算涉及矩陣運算或畫圖時，利用FORTRAN和C語言等計算機語言進行程序設計是一項很麻煩的

15、工作。Matlab正是為了免除無數類似上述的尷尬局面而產生的。在1980年前后，美國的Cleve博士在New Mexico大學講授線性代數課程時，發現應用其它高級語言編程極為不便，便構思并開發了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實驗室），它是集命令翻譯，科學計算于一身的一套交互式軟件系統，經過在該大學進行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運算變得異常容易。為了準確的把一個控制系統的復雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，1990年MathWorks軟件公司為Matlab提供了新的控制系統模型圖形輸入與仿真工具，并定名為Simulnk

16、，該工具很快在控制界得到了廣泛的應用。但因其名字與著名的軟件Simula類似，所以在1992年正式改名為Simulink。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標器在模型窗口上畫出所需要的控制系統模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復雜系統的輸入變得相當容易。Simulink的出現，更使得Matlab為控制系統的仿真與其在CAD中的應用打開了嶄新的局面。目前的Matlab已經成為國際上最為流行的軟件之一，它除了傳統的交互式編程外，還提供了豐富可的矩陣運算，圖形繪制，數據處理，圖像處理，方便的Windows編程等便利工具，由各個領域的專家學者

17、相繼推出了以Matlab為基礎的實用工具箱工具箱,其中主要有信號處理、控制系統、神經網絡、圖像處理、魯棒控制、非線性系統控制設計、系統辨識、最優化、分析與綜合、模糊邏輯、小波、樣條等工具箱,而且工具箱還在不斷增加。借助其強大的功能，Matlab廣泛應用于自動控制、圖像信號處理，生物醫學工程，語音處理，雷達工程，信號分析，振動理論，時序分析與建模，化學統計學，優化設計等領域，并表現出一般高級語言難以比擬的優勢。長期以來，仿真領域的研究重點在仿真模型建立這一環節上，即在系統模型建立以后，要設計一種算法以使系統模型等為計算機所接受，然后再將其編制成程序在計算機上運行，因此，建模通常需要很長一段時間，

18、同時仿真結果的分析必須依賴有關專家，而對決策者缺乏直接的指導。Matlab 提供的動態系統仿真工具 Simulink 可有效解決上述仿真技術問題。 在 Simulink 中，建立系統模型，可以隨意改變仿真參數，即時得到修改后的仿真結果。 Matlab中的分析與可視化工具多種多樣且易于操作。利用 Simulink 對動態系統做適當仿真和分析，可以在實際做出系統之前進行，以便對不符合要求的系統進行適時校正，增強系統性能，減少系統反復修改的時間，實現高效開發系統的目標。 動態仿真結果用圖形方式顯示在示波器的窗口或將數據以數字方式顯示出來。 常用的 3 種示波器為Scope，XY Graph和Disp

19、lay。為了準確地把一個控制系統的復雜模型輸入給計算機,然后對之進行進一步的分析與仿真,MathWorks公司為MATLAB提供了新的控制系統模型圖形輸入與仿真工具,并定名為Simulink。MATLAB軟件的Toolbox工具箱與Simulink仿真工具，為控制系統的計算與仿真提供了一個強有力的工具，使控制系統的計算與仿真的傳統方式發生了革命性的變化。MATLAB已經成為國際、國內控制領域內最流行的計算與仿真軟件。Simulink有兩個明顯的功能:仿真與連接,亦即可以利用鼠標器在模型窗口上畫出所需的控制系統模型,然后利用該軟件提供的功能來對系統直接進行仿真。很明顯,這種做法使得一個很復雜系統

20、的輸入變得相當容易。Simulink的出現,更使得Matlab為控制系統的仿真與其在CAD中的應用打開了嶄新的局面。Simulink是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包,不僅界面友好且支持更靈活的模型描述手段。用戶既可直接用方塊圖來輸入仿真模型,也可用Matlab語言編寫M-文件來輸入。既可以純圖形方式輸入,也可以純文本方式來輸入。還可將上述兩種方法交叉混合使用。既可對連續系統也可對離散系統進行仿真,還適合于采樣保持系統。同時,它也具有能在仿真進行的過程中動態改變仿真參數的功能。因此可以不難理解它自推出以后,就一直受到歐美和日本等國家或地區的控制界學者的青睞。Simulink為用戶

21、提供了方框圖進行建模的圖形接口,采用這種結構畫模型就像你用筆和紙來畫一樣容易。它與傳統的仿真軟件包用微分和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優點。Simulink包含有Sinks(輸出方式)、Source(輸入源)、Linear(線性環節)、Nonlinear(非線性環節)、Connections(連接與接口)和Extra (其它環節)子模型庫,而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊。用戶也可以定制和創建用戶自已的模塊。用Simulink創建的模型可以具有遞階結構,因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型,然后用鼠標雙擊其中的子系統模塊,來查看其下

22、一級的內容,以此類推,從而可以看到整個模型的細節,幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完一個模型以后,用戶可以通過Simulink的菜單或Matlab命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便,而命令行方式對于運行一類仿真非常有用。采用Scope模塊和其它的畫圖模塊,在仿真進行的同時,就可觀看到仿真結果。除此之外,用戶還可以在改變參數后能迅速觀看系統中發生的變化情況。仿真的結果還可以存放到Matlab的Workspace(工作空間)里做事后處理。由于Matlab和Simulink是集成在一起的,因此用戶可以在這兩種環境下對自已的模型進行仿真、分析和修改。控制系

23、統仿真，就是以控制系統的模型為基礎，主要用數學模型代替實際的控制系統，以計算機為工具，對控制系統進行實驗和研究的一種方法。通常控制系統仿真的過程按以下步驟進行：第一步，建立自控系統的數學模型系統的數學模型，是描述系統輸入、輸出變量以及內部各變量之間關系的數學表達式。描述系統諸變量間靜態關系的數學表達式，稱為靜態模型；描述自控系統諸變量間動態關系的數學表達式，稱為動態模型。常用最基本的數學模型是微分方程與差分方程，根據系統的實際結構與系統各變量之間所遵循的物理、化學基本定律，例如牛頓定律、克希霍夫定律、運動動力學定律、焦耳楞次定律等來列寫出變量間的數學模型。這是解析法建立數學模型。對于很多復雜的

24、系統，則必須通過實驗方法并利用系統辨識技術，考慮計算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能準確地反映系統的動態本質，又能簡化分析計算的工作。這是實驗法建立數學模型。控制系統的數學模型是系統仿真的主要依據。第二步，建立自控系統的仿真模型原始的自控系統的數學模型比如微分方程，并不能用來直接對系統進行仿真。還得將其轉換為能夠對系統進行仿真的模型。對于連續控制系統而言，有像微分方程這樣的原始數學模型，在零初始條件下進行拉普拉斯變換，求得自控系統傳遞函數數學模型。以傳遞函數模型為基礎，等效變換為狀態空間模型，或者將其圖形化為動態結構圖模型，這些模型都是自控系統的仿真模型。對于離散控制系統而言，有像差

25、分方程這樣的原始數學模型以及類似連續系統的各種模型，這些模型都可以對離散系統直接進行仿真。第三步，編制自控系統仿真程序對于非實時系統的仿真，可以用一般的高級語言，例如Basic、Fortran或C等語言編制仿真程序。對于快速的實時系統的仿真，往往用匯編語言編制仿真程序。當然也可以直接利用仿真語言。如果應用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成環境作仿真工具，這就是MATLAB仿真。控制系統的MATLAB仿真是控制系統計算機仿真一個特殊軟件工具的子集。第四步，進行仿真實驗并輸出仿真結果進行仿真實驗，通過實驗對仿真模型與仿真程序進行檢驗和修改，而后按照系統仿真的要求輸出仿真

26、結果。五、仿真設計（附仿真圖A4紙打印）可根據老師的要求設置參數，書上有列題，設計后的數學模型結構圖如下：由于本文只進行了理論性設計，故在系統安裝與調試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統在階躍輸入和負載擾動情況下的動態響應（主要為轉速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數的仿真方法或面向電氣系統原理結構圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數的仿真方法。根據例題修改的gain gain1 step step1 仿真后波形六、仿真結果分析圖上部為電機轉速曲線，下部為電機電流曲線。加電流啟動時電流環將電機速度提高，

27、并且保持為最大電流，而此時速度環則不起作用，使轉速隨時間線性變化，上升到飽和狀態。進入穩態運行后，轉速換起主要作用，保持轉速的穩定。1.電機轉速曲線在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節器ASR飽和，電流調節器ACR起主要作用。轉速一直上升。當到達恒流升速階段時，ASR一直處于飽和狀態，轉速負反饋不起調節作用，轉速環相當于開環狀態，系統為恒值電流調節系統，因此，系統的加速度為恒值，電動機轉速呈線性增長直至給定轉速。使系統在最短時間內完成啟動。當轉速上升到額定轉速時，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導致轉速繼續上升，出

28、現轉速超調。轉速超調后，極性發生了變化，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動機在負載的阻力作用下減速，轉速在出現一些小的振蕩后很快趨于穩定。當突加給定負載時，由于負載加大，因此轉速有所下降，此時經過ASR和ACR的調節作用后，轉速又恢復為先前的給定值，反映了系統的抗負載能力很強。2.電機電流曲線直流電機剛啟動時，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節器ASR飽和，達到限幅值，迫使電流急速上升。當電流值達到限幅電流時，由于電流調節器ACR的作用使電流不再增加。當負載突然增大時，由于轉速下降，此時轉速調節器ASR起主要的調節作用，因此，電流調節器A

29、CR電流有所下降，同啟動時一樣，當轉速調節器ASR飽和，達到限幅值，使電流急速上升。但是由于電流值達到限幅電流時，電流調節器ACR的作用使電流不再增加。當擾動取電以后，電流調節器ACR電流又有所增加，此后，電動機在負載的阻力作用下減速，電流也在出現一些小的振蕩后很快趨于穩定。七、設計結論雙閉環直流調速系統突加給定電壓由靜止狀態啟動時，轉速和電流的動態過程如仿真波形所示。由于在啟動過程中轉速調節器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉速調節階段。從啟動時間上看，第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環系統基本上實現了電流受限制下的快速啟動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優控制”。帶PI調節器的雙閉環調速系統還有一個特點，就是轉速必超調。在雙閉環調速系統中，ASR的作用是對轉速的抗擾調節并使之在穩態是無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓的波動。通過仿真可知：啟動時，讓轉速外環飽和不起作用，電流內環起主要作用，調節啟動電流保持最大，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩態運行時，轉速負反饋外環起主要作用，使轉速隨轉速給定電壓的變化而變化，電流內環跟隨電流外環調節電機的電樞電流以平衡負載電流。八、總結與體會通過本設計，我對自動