SimPowerSystem直流双闭环调速系统仿真

1、内蒙古科技大学课程设计论文内蒙古科技大学本科生课程设计论文 题 目：SimPowerSystem直流双闭环调速系统仿真 学生姓名： 学 号： 专 业： 班 级： 指导教师： 2013年 11月 2日 内蒙古科技大学课程设计任务书课程名称控制系统仿真设计题目使用SimPowerSystem的直流双闭环调速系统仿真指导教师李琦时间2013年10月28日至11月1日一、教学要求1、直流电机调速系统的基本工作原理；2、通过对直流电机调速系统的建模，掌握使用Matlab/Simulink软件及Power System工具箱对直流调速系统的建模与仿真方法；3、理解直流调速系统中，开环、转速单闭环及带电流截

2、止副反馈的转速单闭环调速系统的工作原理，理解以上系统的启动过程电流、转矩、转速的变化，以及调速过程中转矩与转速的关系。二、设计资料及参数 设计资料详见电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真（洪乃刚主编）6.3.1-6.3.2节； 本设计涉及到的控制原理、电力拖动自动控制系统等内容参考相关专业课教学内容。设计参数：见电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真（洪乃刚主编）6.3.1-6.3.2节；三、设计要求及成果1、利用Simulink及Power System工具箱建立直流电动机转速电流双单闭环系统模型，并仿真；2、设计速度调节器和电流调节器的参数；3、分析以上仿真中，启动过程电流、

3、转矩、转速的变化，以及调速过程中转矩与转速的关系。通过示波器观察仿真结果，并结合电力拖动自动控制系统课程中的内容验证仿真的正确性;4、撰写不少于3000字的设计报告。设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部分，要求给出设计模型图以及仿真结果图。相关Matlab/Simulink设计文件要求提交电子文档。四、进度安排收集和查阅资料（一天）Matlab/Simulink建模（两天）控制系统设计与优化（一天）编写技术设计书（一天）五、评分标准课程设计成绩评定依据包括以下几点：1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可

4、行和优化(40%)；4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。分为优、良、中、合格、不合格五个等级。考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计报告。六、建议参考资料1、控制系统数字仿真与CAD，李国勇，电子工业出版社，2003年9月第1版2、电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真,洪乃刚，机械工业出版社，2006年5月第1版3、电力拖动自动控制系统，陈伯时，机械工业出版社，1991年，第2版4、自动控制原理上、下册，吴麒，清华大学出版社，1994. 5 第1版 目录一、 引言5二、 双闭环直流调速系统的结构5三、 系统各模块参数设置61、直流电机的参数63、整流电路的参数74、触发脉冲发

5、生器参数75、移相控制单元参数76、电流调节器参数7四、 仿真系统建模81、系统模型仿真8五、 仿真结果分析91、电机转速调节曲线92、电枢电流调节曲线93、电枢电压调节曲线104、负载转矩调节曲线11六、 结论12参考文献12 SimPowerSystem的直流双闭环调速系统仿真1、引言MATLAB 下的 SIMULINK 软件具有强大的功能，而且在不断地得到发展，随着它的版本的更新，各个版本的模块浏览器的表示形式略有不同，但本书所采用的都是基本仿真模块，可以在有关的组中找到，在进一步地学习和应用SIMULINK 软件的其它模块后，会为工程设计带来便捷和精确。在工程设计时，首先根据典型 I

6、型系统或典型型系统的方法计算调节器参数，然后利用MATLAB 下的 SIMULINK 软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。 转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，该系统的仿真可以根据系统的动态结构图进行，也可以用 Power System 的模块来组建。两种仿真不同在于主电路，前者晶闸管和电动机用传递函数来表示，后者使用晶闸管整流器和电动机模型，而控制部分是相同的。由于动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传递函数是线性的，其电流可以反向，因此仿真结果略有不同，采用晶闸管整流器和电动机模型的仿真可以更好地反映系统的工作情况。 2、双闭环直流调速系统的结构 如图1

7、电机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电机电流增大，从而使电机获得加速转矩，电机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即给定电流减小，并通过电流环调节使电机电流下降，电机将因为电磁转矩减小而减速。在当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制Idm实现电机的加速，使电机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电机的快速制动。在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能

8、产生反向制动转矩而使电机快速制动。 图1 直流双闭环调速系统原理图如图2所示为直流双闭环调速系统电气原理图 图2 直流双闭环调速系统电气原理图3、系统各模块参数设置 3.1 直流电机的参数 电枢电阻 Ra= 0.21 整流电路电枢 Rrec=1.3 励磁电阻 RL=146.7 励磁电感 La=0H 平波电抗器 Lp=200mH 转动惯量 J=0.57Kg·m2 电枢绕组和电磁绕组的互感 Laf=0.84H 感应电动势系数Ce=0.132V·min/r 电磁转矩系数Cm=9.5Ce 电动机转矩时间常数：Tm=GD2R/375CeCm=0.161s 电动机电磁时间常数：TL=L

9、/R=0.076s 3.2 三相电源的参数 采用星形连结的三相交流电作为系统的电源，幅值为130×Sqrt(2)V； 相位一次相差120o；3.3 整流电路的参数 采用6个可控硅作为三相桥式全控整流电路的开关管，导通电阻为 Ron=1e-3 ， 内部电感Lon=0 ；3.4 触发脉冲发生器参数 6个脉冲相位间隔为60o；3.5 移相控制单元参数 移相特性的数字表达式：=90o+6UC; 3.6电流调节器参数 电流反馈滤波时间常数 Toi=0.002s 转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s 三相晶闸管整流平均失控时间 Ts=0.0017s 电流环小时间常数 Ti=Ts+ Toi=0.

10、0037s 电流调节器采用PI调节器，WACR(S)=Ki·（1+TiS）/TiS，可调比例系数： Ki=2.84，积分时间常数=0.076s；电流反馈系数=0.05；积分饱和值12V， 输出限幅值10V。 3.7转速调节器参数 转速调节器采用PI调节器，WASR(S)=Kn（1+TnS）/TnS可调比例系数： Kn=10.49，积分时间常数Tn=0.087s；转速反馈系数=0.00667；积分饱和 值12V，输出限幅值10V。4、仿真系统建模采用 Simulink 工具箱中的 Power System 模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图4所示。模型由晶闸管直流电动机组成的主

11、回路和转速、电流调节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用 Power System 模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。电流调节器 ACR 的输出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压，去控制整流桥的输出电压。 图4 系统仿真模型图 5、仿真结果分析5.1 电机转速调节曲线 图5.1 调速系统转速调节曲线 5.4电枢电流调节曲线图5.2 调速系统电流调节曲线 如图5.1、5.2所示，在双闭环直流

12、电机调速系统中，转速的调节经历一下接个阶段第一阶段：电流上升阶段，在这一阶段中，ASR很快接入并保持饱和状态。第二阶段：恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个过程中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第三阶段：转速调节阶段，转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始推饱和状态，ACR的输入和电枢电流开始迅速减小，当电枢电流等于负载电流时，转速达到峰值。此后，电动机在负载的阻力下减速，并经历一个动态调节过程直到稳定。在加入了一定的负载之后，电机的转速会下降，转速差会加大，ACR的输入增大

13、，电流差增大，在ACR的调节作用下，三相整流电路的控制脉冲的移相角减小，直流电机的输入电压增大，电枢电流快速上升；此时，电枢转矩大于负载转矩，转速开始上升，经历一个动态调节过程，最后转速达到额定转速，电枢电流等于负载电流。 5.3电枢电压调节曲线图5.3 调速系统电枢电压调节曲线如图5.3所示，在电机空载起动过程中，电枢电压在最初时会有一个快速上升阶段，然后经历一个动态调节过程达到一个稳定状态。当加入负载后，电枢电压迅速上升，是系统的电枢电压达到新的平衡状态。5.4负载转矩调节曲线图5.4 调速系统电枢电压调节曲线 如图5.4所示 6、结论 本文采用工程设计法， 设计了双闭环直流调速系统； 并结合Simulink 实用工具对系统进行了仿真； 通过转速仿真图像可以直观的看到， 试驾负载后，系统能够准确实现预定的转速，并