开环直流调速系统的动态建模与仿真

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1、电控学院运动控制系统仿真课程设计院（系）:电气与控制工程学院专业班级：姓名：开环直流调速系统的动态建模与仿真摘 要：MATLAB 仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用 MATLAB 仿真出理 想的结 果，关键在于如何准确的选择 MATLAB 的仿真。本文就简单的开环直流调速系统 的 MATLAB 仿真这个例子，通过对 MATLAB 的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿 真结果的对比，对 MATLAB 的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对 MATLAB 的仿真做到最优选择。详细介绍了用 MATLAB 语言对电机与拖动中直流电动机调速仿真实验的仿真 方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一

2、致，表明仿真是可信的，可以替代部 分实物实验。首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿 真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于系统框图, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对开环直流调速系统进行设 计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、 抗负载扰动的 MATLAB 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进 行调试,使开环直流调速系统趋于合理与完善。1.1 课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在 20世纪 60 年代， 随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的

3、结合促进了电力传动控 制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、 高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交 流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动 机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础 上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数 字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模 型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计 算机程序，并在计算

4、机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿 真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻 碍了仿真技术的推广应用。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最 优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在 Simulink 中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意 的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用 MATLAB 中的各 种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。Simulink 可以超越理想的

5、线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型， 如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星 体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、 电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大 可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个 实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与 仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在 具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动 在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特

6、性、动态响应等方面提出了 更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性 能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的： 由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的 晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体 管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性 不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛。1.2直流电动机开环调速系统仿真的原理1.2.1仿真原理直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发 器移相控制信号Uc调节

7、晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流 电动机的调速。任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例 如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时 允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时 允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转 速控制的要求有以下三个方面：(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地(有级)或平滑地 (无级)调节转速。(2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有 过大的转速波动，以确保产品质量。(3) 力口、减速。频繁起、制动

8、的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜 经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速 范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比 叫做调速范围，用字母D表示，即nD maxnmin其中，n 和n 一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数m axmin负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。(2) 静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落An ，N与理想空载转速n0之

9、比，称作静差率s,即S = An NiNn0或用百分数表示S = N X100%n0显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械 特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下 的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率 越大，转速的相对稳定度也就越差。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才 有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低 速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。因此，调 速系统

10、的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。(3) 直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系在直流 电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速Nn作为最高转速，若额定负载下的转速降落为An，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低N速时的静差率，即AnAnS =N = Nn n + An于是，最低转速为(1 - S )An0min0NAn.n = n - AnminSn而调速范围为将上面的n式代入，得minmaxn nminminn SNAn (1 一 s)N表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对 于同一个调速系统，An值一定，由此可见，如果对

11、静差率要求越严，即要求sN值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。2设计参数：2.1控制对象电机参数为：直流调速系统的基本数据如下：晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环 直流调速系统，直流电动机：220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Q，允许过 载倍数入二1.5;电枢回路总电阻:R=0.5Q,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上 的总飞轮力矩:GD2二22.5N m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数：B =0.05V/A,转速反馈系数：a =0.007Vmin/r,滤波时间常 数:Toi=0.002s ,Ton=0.01s 2.2相关参数的计算：查表

12、可得三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s厂 U I R 220-136 x 0.2C NNe nNa 1460二 0.132C = 30 Cm n e电磁时间常数：TlL =皿=0.0322.5 x 0.5机电时间常数：T 0.18sm 375CC n 1 x 30e m 375 x 0.132 x x 0.132n3.设计方案：3.1直流调速系统的仿真有两种方法：1：根据系统的动态结构图进行仿真2：用power system的相关模块仿真本次设计比较简单所以采用方法一仿真模型与结果3.2 仿真模型:00035*12 WLinxlded融 EdiMz&k岳 02 loait H*.

13、 MS0叶沱旦卑Ul目霹 R凶0 鬻TrefisterFcnlI EmTransfer Fcn2Transfer Fcn33.3 无干扰时电流和转速波形：3.4 加入扰动后电流和转速的波形：4.实验心得：本次控制系统仿真设计实习中，我学到了 MATLAB 仿真的一些方法，更加深 入的了解了 MATLAB这款非常优秀的数学软件。通过它使我对运动控制系统的设 计有了很大的帮助。MATLAB是一个基于矩阵运算的软件，它的运算功能非常强 大，编程效率高，强大而智能化的作业图功能，可扩展性强，MATLAB动态仿真 功能，主要用于仿真、验证、算法思想是正确。利用MATLAB，可以使原本复杂 的计算过程大大

14、简化，在处理矩阵、复数运算的过程中尤其明显。本次设计是电力拖动自动控制系统运动控制系统这门课的一次课程设 计，主要目标是设计一个符合要求参数的直流双闭环调速系统。电力拖动自动控 制系统运动控制系统这门课是我们自动化专业的一门综合性非常强的课程， 它综合了之前学习过的模拟电子技术、自动控制原理、电力电子技术及电机拖动 技术等课程的很多知识点，所以，本次设计也是对以前课程的一次梳理和升华。参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.北京：机械工业出版社，20072 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20003 李友善.自动控制原理.北京：机械工业出版社，19814 王离九.电力拖动自动控制系统.武汉：华中理工大学出版社，19915 陈治明.电力电子器件.北京：机械工业出版社，19926 张广益.电机学.重庆：重庆大学出版社，2002