1、 內蒙古科技大學本科生課程設計論文題 目：使用SimPowerSystem的直流雙閉環調速系統仿真 2013 年 10 月 31 日內蒙古科技大學課程設計任務書課程名稱控制系統仿真設計題目使用SimPowerSystem的直流雙閉環調速系統仿真指導教師時間2013年10月28日至11月1日一、教學要求1、直流電機調速系統的基本工作原理；2、通過對直流電機調速系統的建模，掌握使用Matlab/SIMULINK軟件及Power System工具箱對直流調速系統的建模與仿真方法；3、理解直流調速系統中，開環、轉速單閉環及帶電流截止副反饋的轉速單閉環調速系統的工作原理，理解以上系統的啟動過程電流、轉矩

2、、轉速的變化，以及調速過程中轉矩與轉速的關系。二、設計資料及參數 設計資料詳見電力電子與電力拖動控制系統的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.3.1-6.3.2節； 本設計涉及到的控制原理、電力拖動自動控制系統等內容參考相關專業課教學內容。設計參數：見電力電子與電力拖動控制系統的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.3.1-6.3.2節；三、設計要求及成果1、利用SIMULINK及Power System工具箱建立直流電動機轉速電流雙單閉環系統模型，并仿真；2、設計速度調節器和電流調節器的參數；3、分析以上仿真中，啟動過程電流、轉矩、轉速的變化，以及調速過程中轉矩與轉速的關系。通過示波器觀察仿真結果

3、，并結合電力拖動自動控制系統課程中的內容驗證仿真的正確性;4、撰寫不少于3000字的設計報告。設計報告要求提交紙質文檔，設計報告包括設計背景、設計原理、設計過程、結果分析等幾個部分，要求給出設計模型圖以及仿真結果圖。相關Matlab/SIMULINK設計文件要求提交電子文檔。四、進度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/SIMULINK建模（兩天）控制系統設計與優化（一天）編寫技術設計書（一天）五、評分標準課程設計成績評定依據包括以下幾點：1）工作態度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設計是否可行和優化(40%)；4）課程設計技術設計書編寫水平(占30%)。分為優、

4、良、中、合格、不合格五個等級。考核方式：設計期間教師現場檢查；評閱設計報告。六、建議參考資料1、控制系統數字仿真與CAD，李國勇，電子工業出版社，2003年9月第1版2、電力電子與電力拖動控制系統的Matlab仿真,洪乃剛，機械工業出版社，2006年5月第1版3、電力拖動自動控制系統，陳伯時，機械工業出版社，1991年，第2版4、自動控制原理上、下冊，吳麒，清華大學出版社，1994. 5 第1版摘要轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統是靜、動態性能優良、應用最為廣泛的直流調速系統，是各種交流、直流電力拖動自動控制系統的重要基礎；由于其具有調速范圍寬、平穩性好、穩速精度高等優點，廣泛應用于冶金、機

5、床和礦山等各個行業，在電力拖動自動控制領域中發揮著極其重要的作用。本設計采用工程設計的方法，對電流環和轉速環分別進行設計，并根據實際要求對調節器的參數進行整定，利用SIMULINK及SimPowerSystem工具箱建立直流電動機轉速、電流雙閉環控制系統模型，并對系統進行了仿真，給出了電機在啟動過程以及突加負載情況下的電機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩變化以及調速過程中轉矩與轉速關系的波形，并對結果進行了分析，從而進一步說明雙閉環調速系統的可行性與優越性。關鍵詞：雙閉環，MATLAB仿真，直流電機，調速系統目錄摘要I目錄II第一章 引言11.1實訓的背景11.2 實訓的意義11.3 設計目

6、標和技術參數1設計目標1技術參數1第二章 系統建模分析22.1 交流電源的設計22.2 晶閘管整流器22.3 同步六脈沖發生器22.4 移相控制環節3第三章 系統設計33.1 仿真模型的建立33.2 調節器參數的計算和設定43.2.1 電流調節器的參數的計算和設定53.2.2 轉速調節器的參數的計算和設定6第四章 系統的仿真和結果分析74.1 系統的仿真74.2 仿真結果及分析7仿真結果74.2.2 啟動過程分析（0-0.4s）104.2.3 突加負載，轉速調節過程分析（0.4s-3s）104.2.4 轉矩隨時間的變化104.2.5 勵磁電流隨時間的變化104.2.6 電動機的機械特性（轉矩和

7、轉速之間的關系）10第五章 總結11附錄12參考文獻14第一章 引言1.1實訓的背景轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統是最典型的直流調速系統，其特點是，電動機的轉速和電流分別由兩個獨立的調節器分別控制，且轉速調節器的輸出就是電流調節器的給定，因此電流環能夠隨轉速的偏差調節電動機電樞的電流。用經典的動態校正方法設計調節器需同時解決穩、準、快、抗干擾等各方面互相矛盾的動態性能，要求設計者具有較豐富的經驗和熟練的技巧，初學者難以很快掌握。1.2 實訓的意義美國Mathworks公司推出的MATLAB軟件中的SIMULINK是很有特色的仿真環境，利用其進行轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統的仿真是十分

8、簡單和直觀的，SIMULINK提供了使用系統模型框圖進行組態的仿真平臺，使用SIMULINK進行仿真和分析可以像在紙上繪圖一樣簡單。通過用圖形化的方法直接建立起仿真系統的模型，并啟動仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來，使設計者能夠直觀的根據波形修改各個調節器參數，最終使系統能夠穩定，達到系統所要求的動、靜態性能指標。1.3 設計目標和技術參數1.3.1設計目標l 利用SIMULINK及SimPowerSystem工具箱建立直流電動機轉速、電流雙閉環系統模型，并仿真；l 設計轉速調節器和電流調節器的參數，使系統穩定，空載啟動到額定轉速時的轉速超調量n%10%；并在1s時突加1/2額定負載。技

9、術參數轉速、電流雙閉環控制系統模型的參數如下：三相電源：峰值130*sqrt(2)V，頻率50Hz晶閘管裝置放大系數Ks=206三相晶閘管整流電路平均失控時間Ts=0.0017s電極電磁時間常數：平波電抗器 Ld=20mH直流電動機：額定電壓UN=220V，額定電流IN=136A，額定轉速nN=1460r/min ，勵磁電壓 Uf=220V，勵磁繞組 Rf=146.7，勵磁電感Lf=0，磁場與電樞互感Laf=0.84H，轉動慣量J=0.57kg*m2，電動機電動勢系數Ce=0.192V*min/r電樞回路總電阻 過載倍數：=1.5取電流反饋濾波的時間常數Toi=0.002s，轉速反饋濾波時間常

10、數Ton=0.01s取轉速調節器和電流調節器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V額定轉速給定Un*=10V第二章 系統建模分析由于采用SimPowerSystem模型庫模塊，且其中的主電路部分包括交流電源、晶閘管整流器、觸發器、移相控制環節和電動機等環節，所以應考慮主電路各個模塊的電源，以及整流橋的選擇、整流橋的觸發電路以及直流電機的選擇問題。2.1 交流電源的設計本系統三相交流電源采用三個獨立的交流電壓源，采用Y型連接，并根據系統要求設置其峰值為130*sqrt(2)V，頻率為50Hz，且每兩相的相位差為120，即分別設置為0、-120、-240。2.2 晶閘管整流器由于系統無特殊要求，所以

11、選取多功能橋式電路。2.3 同步六脈沖發生器同步六脈沖發生器用于產生三相橋式整流電路晶閘管的觸發脈沖，在一個周期內產生6個觸發信號，每個觸發信號的間隔為60，并采用雙脈沖觸發方式，以保證電流斷續時，整流橋上下臂各有一個晶閘管導通，并設置脈沖寬度為1。2.4 移相控制環節移相控制模塊的輸入是移相控制信號U，輸出為控制角度。移相特性的數學表達式為： 本系統選取=30，U=10V，即。第三章 系統設計3.1 仿真模型的建立轉速、電流雙閉環直流調速系統電路原理圖如圖3.1所示。 圖3.1轉速、電流雙閉環直流調速系統電路原理圖根據轉速、電流雙閉環直流調速系統電路原理圖，提取各元器件的仿真模塊，模型由晶閘

12、管-直流電動機組成的主電路和轉速直流調節器組成的控制電路兩部分組成，其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發器、移相控制環節和電動機等環節使用SimPowerSystem模型庫模塊，控制回路的主體是轉速和電流兩個調節器，以及反饋濾波環節，并連接各個模塊，得到使用SimPowerSystem的直流雙閉環調速系統仿真模型，其中轉速直流調節器組成的控制電路如圖3.2a所示，主電路部分如圖3.2b所示，帶飽和和輸出限幅的PI調節器如圖3.2c所示。圖3.2a 轉速直流調節器組成的控制電路 圖3.2b 主電路部分 圖3.2c 帶飽和和輸出限幅的PI調節器3.2 調節器參數的計算和設定按照工程設計的

13、方法來設計轉速和電流反饋控制直流調速系統的原則是先內環后外環，即從內環開始，逐步向外擴展。首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。3.2.1 電流調節器的參數的計算和設定電流反饋系數： 由已知可得：三相晶閘管整流電路平均失控時間： Ts=0.0017s電極電磁時間常數： 電流環的小時間常數為： 根據設計要求i%5%，并保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數為： 式中 為電流調節器的比例系數 為電流調節器的超前時間常數由下表3.1根據設計要求i%5%，應取=0.5電流調節器的超

14、前時間常數：=0.076s電流環開環增益： 于是電流調節器的比例系數為： 則可得：表3.1 典型I型系統跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系參數關系KT0.250.39 0.50.69 1.0超調量s 0 %1.5%4.3 % 9.5 %16.3 %3.2.2 轉速調節器的參數的計算和設定電機轉矩時間常數： 轉速反饋系數： 按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為： 式中 為轉速調節器的比例系數 為轉速調節器的超前時間常數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為： 其中為： 于是可得ASR的比例系數為： 由此可得到：第四章 系統的仿真和結果分析4.1 系統的仿真根據系統

15、要求，選用ode23tb（stiff/TR-BDF2）算法，仿真時間為3s，在1s時突加1/2額定負載，啟動仿真。4.2 仿真結果及分析仿真結果模型的仿真結果如圖4.1所示a） b） c）d）e） 圖4.1 仿真結果a） 轉速響應 b）電流響應 c）轉矩變化 d）勵磁電流變化 e）電動機的機械特性（轉矩和轉速之間的關系） 啟動過程分析（0-0.4s）從電流波形（圖4.1b）可以得到，電流從零上升到最大值Idm，然后一段時間內維持其值等于Idm不變，以后又下降，由于1s前系統為空載運行狀態，經過調節后達到零，并維持不變。轉速波形（圖4.1a）先緩慢上升到最高且大于1460r/min，轉速超調，電

16、流給定變負，由于本系統為不可逆調速系統，晶閘管整流裝置不能產生反向電流，這時電樞電流為零，電動機的電磁轉矩也為零，沒有反相制動轉矩，因1s前系統為空載運行狀態，所以電動機保持在最高轉速狀態。在空載啟動到額定轉速時：轉速超調量：滿足系統的設計要求。4.2.3 突加負載，轉速調節過程分析（0.4s-3s）在1s時，系統通過Step模塊突加1/2額定負載，電動機轉速下降，電流調節器開始發揮作用，電流升高，電動機轉速上升，產生超調。轉速超調后，ASR輸出電壓變負，使它開始退出飽和狀態，U*和Id很快下降，但是由于Id大于IdL，轉速繼續上升，直到Id=IdL時，轉矩Te=TL，則，轉速n達到最大值，此

17、后由于Id小于IdL，電動機開始在負載阻力的作用下減速，直到穩態。4.2.4 轉矩隨時間的變化由于電動機轉矩公式為： 所以轉矩與電流成比例關系，即與電流變化趨勢相同。 勵磁電流隨時間的變化勵磁繞組由直流220V電源供電，所以勵磁電流為恒值，if=1.5A。4.2.6 電動機的機械特性（轉矩和轉速之間的關系）如圖4.1e所示，從機械特性可以看到，在啟動過程中電動機基本維持在最大轉矩升速，在系統突加負載時，轉速下降，轉矩迅速增大，使電動機升速，當系統達到穩定后，轉矩Te等于負載轉矩，維持電動機轉速的處于穩定的狀態。第五章 總結由于在工程設計方法中進行了相應的簡化，忽略了一些其他干擾因素，仿真結果同

18、實際系統之間有一定的差距，但是只要實際系統滿足一定的條件，其輸出結果就能夠達到滿意的效果，達到實際的要求。利用MATLAB對系統進行仿真，不僅能夠提高效率，大大節省系統開發時間，而且大大節約了成本。附錄MATLAB繪制仿真圖形程序如下：clcfigure(1)plot(n(:,1),n(:,2)gridtitle(轉速響應)xlabel(t/s)ylabel(n/(r/min)figure(2)plot(Id(:,1),Id(:,2)gridtitle(電流響應)xlabel(t/s)ylabel(id/A)figure(3)plot(Te(:,1),Te(:,2)gridtitle(轉矩變化)xlabel(t/s)ylabel(Tl/(N*m）)figure(4)plot(f(:,1),f(:,2)gridtitle