《直流电动机智能调速仿真研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电动机智能调速仿真研究（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、直流电动机智能调速仿真研究摘要电动机作为把电能转换为机械能的动力设备，已被广泛应用于工业、农业、国防军事、交通运输等各个领域。电动机的调速性能，对于提高产品质量、提高劳动生产率、节省电能方面有着直接的决定性影响。研究电机调速控制的先进理论方法和技术，不仅可以满足工业生产的实际要求、而且能够提高能源的利用效率，为国民经济的发展做出重要贡献。MATLAB是目前流行的控制系统仿真软件。由于其强大的功能，已被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对电机调速系统进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期，有利于选择最佳参数和设计最合理的系统方案
2、。AbstractAs the driving force equipment changing electric energy into mechanical energy,the motor has been broadly used in many fields such as industry,agriclature，nationaldefence，military affairs and trafficsIts performance of speed regulation is importantand decisive to improving product quality,l
3、abor efficacy,saving electric energy,andSO onResearches on advanced theories，methods and technologies of motor speedcontrol system，can not only satisfy the practical need of industry production，but alsoimprove the efficiency of source utilizing，and make important contribution to thenational economyM
4、ATLAB is the popular simulated software of controlling systemDut to thepowerful function，it has become the necessary tool for calculation，analysis anddesign of controlling systemUsing MATLAB to simulate，analyze and design variousmotor speed regulation systems，Call shorten developing period，and is be
5、neficial toselecting the most suitable parameters and schemes of systems第 1 章绪论11电机调速系统控制根据电机使用的电源不同，可以分为交流电机和直流电机两大种类。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制技术的角度来看，又是近年发展迅速的交流调速系统的基础。目前，直流调速系统是自动调速系统的重要形式，特别是基于数字采集和计算机控制的直流调速系统应用广泛，控制算法直接影响到控制系统的性能。众所周知，直
6、流电机具有优越的调速性能，但由于换向器的原因，使其存在使用寿命缩短，维护工作量大的不足之处。然而，交流电机与直流电机相比，具有种种优点，如结构紧凑，便于安装维护等，因此交流电机驱动系统在工业中得到了越来越广泛的应用，并且近年来它一直是国外很多大公司、大学研究开发的热点。随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性，如机器人系统、纺织过程等。尽管在很多情况下，当我们考虑系统的某些现象时，可以用系统的线性模型来代替系统的非线性模型，然后，对线性模型开展研究。但在工程技术、自然、社会、经济等众多情况下，不可能用系统的简单线性模型作为该真实系统的替身。人们必须建立真实系统的非线性模型来代替简
7、单容易处理的线性模型。 111调速控制系统的发展现状直流电机调速性能好，起动转矩大，长期以来被广泛应用于电力机车、起重机和机床等对电动机的调速性能和起动性能要求高的生产机械上。由于直流电机可以分别控制励磁电流和电枢电流，因此能实现对磁通和转矩的完全解耦控制。直流电机的电磁时间常数较小，使得电枢电流可以迅速变化，从而达到电磁转矩的快速响应。但是，由于直流电机中机械换向器的存在，导致直流电机中存在显著的换向电流和速度限制，这使得直流电机难以应用于腐蚀性比较强和易燃易爆的场合。随着各种微处理器的出现和发展，国内外对直流电机控制调速系统的研究也在不断发展和完善，特别是在20世纪80年代，达到了研究的空
8、前繁荣。目前，国外主要电气公司，如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司等，均已开发出数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。而在国内，数字式直流电机调速系统也具有很大的市场需求。科研单位、大专院以及企业单位等，都在研究开发高性能的直流电机调速系统装置。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现。为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究。如Garcia和Morari于80年代初提出内模控制的算法，由于它的设计原理简单、参数整定直观明了、鲁棒性强、控制性能好，在控制系统中得到广泛应用【1】：文【2
9、】提出用IP控制器取代PI调节器的方法，它可以减小转速超调；张井岗等人【31依据内模控制原理，提出了直流电动机调速系统的内模控制方法，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能；自适应PID算法和模糊PID算法等也是针对晶闸管触发脉冲的控制提出的改进算法，并得到广泛运用【4】。另外，姚勇涛等人【5】依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，提出了直流电动机及直流调速系统的参数辨识的方法，所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。基于模糊神经网络控制技术，设计了一种无刷直流电机的数字调速控制策略，具有很强的
10、模糊推理和自学习能力，。取得令人满意的动静态性能效果，具有很强的鲁棒性和自适应性，为无刷直流电机的智能控制提供了新的理论依据。孙昌志等【7】提出了一种基于嵌入式操作系统的无刷直流电动机模糊控制系统设计方法，将模糊控制和PID控制通过自适应因子结合，在线自调整控制参数，提高了系统的控制精度且系统具有良好的动态性能。20世纪60年代中期，德国人率先提出了脉宽调锘JJ(PWM)变频的思想，将通信系统中的调制技术应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和应用开辟了道路。特别是70年代以后，科学技术的迅速发展，为交流调速系统迅速发展提供了有利的物资基础和技术条件，使得交流调速系统的性能可与直流调速相媲
11、美，并有逐步替代直流调速的趋势。交流电机变频调速时需要进行电压和频率的协调控制，有电压和频率两种独立的输入变量，如果考虑电压是三相的，实际的输入变量数目还要多。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的转矩。由于这些原因，交流电机是一个多变量系统，而电压、频率、磁通、转速又互相影响，所以是强耦合的多变量系统。近年来，交流电机的控制技术取得了突飞猛进的进展。由于交流电机具有多变量、非线性、强耦合等特性，与直流电机相比，转矩控制更加
12、困难，因此，70年代初，由西德EBlasschke等人首先提出的矢量控制(vecto疋ontr01)理论【弘叭，它应用坐标变换将三相系统等效成两相系统，经过按转子磁场定向的同步旋转坐标变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，从而解决了交流电机的转矩控制问题。目前对调速特性要求较高的生产工艺大都采用了矢量控制型的变频调速装置。受矢量控制的启迪，近年来又派生出诸如多变量解耦控制、变结构滑模控制、自适应控制【协12】等方法，丰富了矢量控制的内涵。1985年德国鲁尔大学的DePenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DirectTorqueC
13、ontrol简称DTC)13】，其控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。近年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统【I5】的研究，无传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，引起了学者广泛的研究兴趣。另外，智能控制，如专家控制、神经元控制、模糊控制和神经模糊控制等是自动控制理论发展的高级阶段，在解决受控对象复杂、难以获得数学模型的复杂过程的问题上，具有经典和现代控制理论不能达到的优势，为提高交流调速系统性能、提高系统的鲁棒性和抗干扰性提供了有效的控制方法，这一研究方向也成为目前交流电动机控制的研究热点。归纳
14、目前大量应用的调速控制系统，并对技术发展和应用需求进行全面分析之后，我们可以总结出下列发展趋势： (1)高频化。在功率驱动装置中，低频的半控器件晶闸管在中小功率范围将会被高 频的全控器件大功率晶体管所代替，这既可提高系统性能，又可改善电网的功率因素。(2)交流化。由于交流电机本身的优势，交流调速系统取代直流调速系统已成为一种不可逆转的趋势。随着交流调速系统成本的逐步降低，不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代；而且，大量的原来恒速运行的交流传动系统将被改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域，也将采用交流调速系统。(3)网络化。微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，
15、同时为联网提供了可能。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模多机协同工作的高度自动化系统，这就需要计算机网络的支持，传动设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中或分散的生产过程实时监控。(4)智能化。智能控制如模糊控制、神经网络控制、解耦控制等，已深入到运动控制系统的各个方面，各种智能观测器和辨识技术应用于电机控制系统中，大大改善了控制系统的性能，为电机控制系统的智能化提供了可能。112调速控制系统的计算机仿真调速控制系统的计算机仿真是涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性技术。它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为工具，
16、对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行实验和研究，而计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型。因此，凡是要用模型进行实验的，几乎都可以用计算机仿真来研究被仿真系统的工作特点、选择最佳参数和设计最合理的系统方案。随着计算机技术的发展，计算机仿真越来越多地取代纯物理仿真，它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。目前，比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB19-20，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink T具箱【2l】对其进行计算机仿真研究。MATLAB软件由于其强大的功能，早己被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对各种调速系统进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期。电机调速系统仿真研究的内容包括系统的建模、性能分析、算法设计和优化参数等几个方面。算法设计是仿真的一项重要应
