本科上機(jī)大作業(yè)報(bào)告課程名稱：電機(jī)控制姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：提交日期：20年月日一、作業(yè)目的1.熟悉電機(jī)的控制與仿真；2.熟悉matlab和simulink等相關(guān)仿真軟件的操作；3.熟悉在仿真中各參數(shù)變化和不同控制器對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響。二、作業(yè)要求對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速進(jìn)行仿真1.描述每個(gè)模塊的功能2.仿真結(jié)果分析：包括轉(zhuǎn)速改變、轉(zhuǎn)矩改變下電機(jī)運(yùn)行性能，并解釋相應(yīng)現(xiàn)象3.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備MATLAB、simulink四、實(shí)驗(yàn)原理1.雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：該系統(tǒng)通過(guò)電流負(fù)反饋和速度負(fù)反饋兩個(gè)反饋閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，其內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速控制環(huán)。內(nèi)環(huán)由電流調(diào)節(jié)器LT,晶閘管移相觸發(fā)器CF,晶閘管整流器和電動(dòng)機(jī)電樞回路所組成。電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)un。與電機(jī)電樞回路的電流反饋信號(hào)相比較,其差值送人電流調(diào)節(jié)器.由調(diào)節(jié)器的輸出通過(guò)移相觸發(fā)器控制整流橋的輸出電壓。在這個(gè)電壓的作用下電機(jī)的電流及轉(zhuǎn)矩將相應(yīng)地發(fā)生變化。電流反饋信號(hào)可以通過(guò)直流互感器取白肖流電樞回路,也可以用交流互感器取自整流橋的交流輸人電流,然后經(jīng)整流面得。這兩種辦法所得結(jié)果相同，但后者應(yīng)用較多,因?yàn)榻涣骰ジ衅鹘Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)un大于電流反饋信號(hào)uf,其差值為正時(shí),經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器控制整流橋的移相角α,使整流輸出電壓升高,電樞電流增大。反之,當(dāng)給定信號(hào)un小于電流反饋信號(hào)時(shí)，使整流橋輸出電壓降低,電流減小,它力圖使電樞電流與電流給定值相等。外環(huán)是速度環(huán),其中有一個(gè)速度調(diào)節(jié)器ST,在調(diào)節(jié)器的輸入端送入一個(gè)速度給定信號(hào)ug，由它規(guī)定電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速。另一個(gè)速度反饋信號(hào)ufn米自與電機(jī)同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)TG。這個(gè)速度給定信號(hào)和實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)之差輸人到速度調(diào)節(jié)器,由速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)un作電流調(diào)節(jié)器輸人送到電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)前面所講的電流調(diào)節(jié)環(huán)的控制作用調(diào)節(jié)電機(jī)的.電樞電流Ia和轉(zhuǎn)矩T,使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，最后達(dá)到轉(zhuǎn)速的給定值。五、仿真及其分析1.描述每個(gè)模塊的功能參考Matlab自帶的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速的SIMULINK仿真模型1.1參考速度給定選擇器通過(guò)該選擇器可以選擇恒定轉(zhuǎn)速或者階躍給定，通過(guò)單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)選擇?？梢酝ㄟ^(guò)如下設(shè)置改變速度給定（單位為rad/s）：可以通過(guò)如下設(shè)置改變階躍給定值和steptime（階躍開始的時(shí)間）：速度給定的值輸入到速度調(diào)節(jié)器中。1.2速度調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，有兩個(gè)輸入分別來(lái)自速度給定和電機(jī)速度反饋電壓信號(hào)，通過(guò)速度調(diào)節(jié)器的運(yùn)算后將結(jié)果值電壓輸入到電流控制器中。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為先將兩個(gè)輸入作差，然后通過(guò)一個(gè)比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)相疊加輸出電流信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)如下設(shè)置改變速度控制器Kp和Ki的值，以及輸出電壓的最大限制：1.3電流調(diào)節(jié)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為輸入為速度調(diào)節(jié)器輸出的給定和電機(jī)反饋的電流信號(hào)，將兩者作差，然后通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)，輸出整流橋的開關(guān)信號(hào)，從而控制移相角，改變整流輸出電壓，改變電樞電流大小?？梢酝ㄟ^(guò)如下設(shè)置改變滯環(huán)的開關(guān)時(shí)間點(diǎn)和開關(guān)時(shí)各自的輸出值：電流控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置如下圖，當(dāng)滯環(huán)電流兩個(gè)輸入量差的絕對(duì)值超過(guò)2A時(shí)，輸出GTO信號(hào)改變電樞電流。1.4PWM波生成內(nèi)部結(jié)構(gòu)為Powersysdomain為電機(jī)繞組的電力電子電路，外部電路只有接入這個(gè)電路才能產(chǎn)生三相電流，電機(jī)其他模塊則是根據(jù)測(cè)到的三相電流進(jìn)行變換和控制，GTO存在于該模塊當(dāng)中。該GTO輸入280V電壓作為輸入陽(yáng)極電壓信號(hào)，電流控制器輸出信號(hào)作為該GTO模塊的門極觸發(fā)信號(hào)g，當(dāng)輸入信號(hào)g為正時(shí)，輸出高電平，而當(dāng)輸入信號(hào)g為負(fù)時(shí)，輸出低電平。可以通過(guò)如下設(shè)置改變?cè)撃K的內(nèi)阻和ForwardvoltageVf（晶閘管元件的正向管壓降）1.5轉(zhuǎn)矩給定選擇器通過(guò)該選擇器可以選擇恒定轉(zhuǎn)矩或者階躍給定，通過(guò)單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)選擇?？梢酝ㄟ^(guò)如下兩個(gè)設(shè)置界面分別設(shè)置恒定轉(zhuǎn)矩給定和階躍給定初值終值以及階躍發(fā)生時(shí)間：1.6直流電機(jī)由圖可知該直流電機(jī)為一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)，勵(lì)磁電壓為240V的直流電壓源。Ls串聯(lián)通路為電樞電路。由轉(zhuǎn)矩給定模塊給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)，同時(shí)輸出當(dāng)前電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)。同時(shí)并聯(lián)二極管D1作為續(xù)流回路，電樞串聯(lián)平波電抗器Ls保持電流連續(xù)。直流電機(jī)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：ArmatureResistanceAndInductance設(shè)置電樞繞組電阻和電感FieldResistanceAndInductance設(shè)置勵(lì)磁繞組的電阻和電感Field-ArmatureMutualInductanceLaf設(shè)置勵(lì)磁繞組和電樞繞組的互感TotalInertiaJ設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ViscousFrictionCoefficientBm設(shè)置粘滯摩擦系數(shù)CoulombFrictionTorqueTf設(shè)置庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩InitialSpeed為初始角速度1.7信號(hào)反饋模塊由一個(gè)Busselect和過(guò)濾器Filter組成，首先將直流電機(jī)反饋的眾多信號(hào)中選擇出所需要的轉(zhuǎn)速和電樞電流信號(hào)（如下圖）：然后將電流信號(hào)通過(guò)過(guò)濾器，過(guò)濾器本質(zhì)上是一個(gè)開環(huán)傳遞函數(shù)，其傳遞函數(shù)可以通過(guò)下圖設(shè)置進(jìn)行改變。Numeratorcoefficients為分子，Denominatorcoefficients為分母，由下圖設(shè)置參數(shù)可知，此時(shí)過(guò)濾器的傳遞函數(shù)為1.8示波器模塊通過(guò)示波器可以觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流和GTO的輸出PWM電壓信號(hào)。仿真結(jié)果分析2.1恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩給定由相關(guān)設(shè)置可知，此時(shí)轉(zhuǎn)速給定為120rad/s，轉(zhuǎn)矩給定為5N·m。仿真結(jié)果如下：從上到下依次是電機(jī)轉(zhuǎn)速波形、電樞電流波形、GTO輸出PWM波形?？梢钥吹?，電機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速?gòu)?開始增大，在轉(zhuǎn)速未達(dá)到120rad/s的設(shè)定值之前，由于轉(zhuǎn)速反饋環(huán)的存在，電樞電流一直處于較大的狀態(tài)，從而使轉(zhuǎn)速不斷增大。直到轉(zhuǎn)速達(dá)到120rad/s后，由于電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)（沒(méi)有到達(dá)邊界）與轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)（存在積分環(huán)節(jié)）存在一定滯后，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，即超過(guò)設(shè)定值，同時(shí)電樞電流會(huì)較快速下降到一個(gè)較低的穩(wěn)定值（中間也存在超調(diào)），最后轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值保持恒定。此時(shí)GTO在調(diào)節(jié)器的輸出的門極控制下，不斷開斷輸出PWM波形，同時(shí)影響著電樞電流波形。2.2階躍轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩給定撥動(dòng)單刀雙擲開關(guān)，由相關(guān)設(shè)置可知，轉(zhuǎn)速給定在0.4s時(shí)從120rad/s變?yōu)?60rad/s，轉(zhuǎn)矩給定為5N·m。在0.4s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生第二次變化，從120rad/s增大到160rad/s，則為了保證轉(zhuǎn)速的上升，此時(shí)電樞電流迅速增大到30A，并保持在定值，直到轉(zhuǎn)速再次達(dá)到給定值，電樞電流再次恢復(fù)到較低值?？梢钥吹酱藭r(shí)保持GTO一直處于開通狀態(tài)，使電樞電流快速增大。2.3階躍轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速給定由相關(guān)設(shè)置可知，轉(zhuǎn)速給定為120rad/s，轉(zhuǎn)矩給定在1.2s從5N·m變?yōu)?5N·m。由圖可以看到，1.2s時(shí)由于轉(zhuǎn)矩給定增大，電機(jī)負(fù)載增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了下滑，但是由于速度環(huán)的反饋，電樞電流的快速增大，轉(zhuǎn)速?zèng)]有出現(xiàn)很大的變化，并且又恢復(fù)到了接近轉(zhuǎn)速給定值附近，電樞電流在超調(diào)之后，穩(wěn)定在一個(gè)新的穩(wěn)定值。轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響PI調(diào)節(jié)器有3個(gè)參數(shù)，分別為Kp（比例），Ki（積分）和限幅值。3.1調(diào)節(jié)Kp將Kp增大到10，可得仿真結(jié)果如下圖：和Kp=1.6的波形進(jìn)行對(duì)比可以得到，隨著Kp的增加，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到優(yōu)化，響應(yīng)時(shí)間縮短，響應(yīng)較快時(shí)，電樞電流的變化較大，會(huì)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，但是恢復(fù)很快。當(dāng)Kp偏大時(shí)，響應(yīng)的震蕩次數(shù)將增加，調(diào)節(jié)時(shí)間反而延長(zhǎng)。而當(dāng)Kp過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。3.2調(diào)節(jié)Ki調(diào)節(jié)Ki為1.6和30，進(jìn)行對(duì)比如下圖：Ki=1.6Ki=32將不同Ki值下系統(tǒng)響應(yīng)做對(duì)比可以看到，當(dāng)Ki=1.6時(shí)，轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小，但是在達(dá)到設(shè)定值附近后，轉(zhuǎn)速需要很長(zhǎng)時(shí)間緩慢減小達(dá)到設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)誤差難以消除。當(dāng)Ki=32時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量較大，但是它能對(duì)穩(wěn)定后存在累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差消除，所以此時(shí)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定值。Ki也不是越大越好，隨著Ki的不斷增大，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)震蕩。3.3改變限幅值PI調(diào)節(jié)器的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)得益于調(diào)節(jié)器采取限幅輸出的結(jié)果。這既從安全角度約束了被控制量的數(shù)值范圍，也保證了系統(tǒng)能以最大限幅值實(shí)現(xiàn)相應(yīng)被控制量的快速調(diào)節(jié)。但是一旦調(diào)節(jié)器進(jìn)入限幅飽和狀態(tài)，PI調(diào)節(jié)器會(huì)退變?yōu)橐粋€(gè)簡(jiǎn)單限幅器，而失去PI調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)也變?yōu)殚_環(huán)系統(tǒng)，所以在實(shí)際系統(tǒng)中我們要避免出現(xiàn)限幅飽和的現(xiàn)象，限幅值的選取十分重要?？梢钥吹?，當(dāng)限幅值改變?yōu)?A時(shí)，電樞電流無(wú)法使電機(jī)轉(zhuǎn)速很快地達(dá)到設(shè)定值。而且隨著PI調(diào)節(jié)器中積分環(huán)節(jié)的誤差累積越來(lái)越大，GTO的震蕩速度越來(lái)越快。此時(shí)PI調(diào)節(jié)器已經(jīng)淪為一個(gè)簡(jiǎn)單的限幅器，僅僅限制了電樞電流的大小，而無(wú)法控制電機(jī)各個(gè)性能指標(biāo)。4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器設(shè)置該P(yáng)I控制器的各個(gè)參數(shù)如下圖：設(shè)置三角載波頻率為10kHz得到仿真結(jié)果為和原來(lái)的電流調(diào)節(jié)器相對(duì)比，很明顯的一點(diǎn)是電樞電流的線“變細(xì)了”，這代表著電流波動(dòng)的范圍減小了，電流變化曲線更加平滑。同時(shí)值得注意的是在滯環(huán)控制時(shí)滯環(huán)的寬度不能過(guò)小，如果