基于Matlab的αβ配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真 1.docx

基于Matlab的αβ配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真 1.docx

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基于Matlab的αβ配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真1

内蒙古科技大学

本科生课程设计论文

题目：

α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真

学生姓名：

XXX

学号：

XXXXXXXXX

专业：

XXXX

班级：

XXXX

指导教师：

XXXXX

内蒙古科技大学课程设计任务书

课程名称

Matlab语言与控制系统数字仿真

设计题目

α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真

指导教师

时间

2010年12月20日至24日

一、教学要求

1、理解直流可逆调速系统的基本工作原理；

2、通过α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的建模，掌握使用Matlab/Simulink软件及PowerSystem工具箱对直流调速系统的建模与仿真方法；

3、理解α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统中，正转、反转过程中转速与电流的变化曲线，以及本桥逆变和反接制动阶段电枢电流、电机转速、电机反电动势以及平波电感反电动势的变化曲线；

4、掌握α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统中，两组整流器的环流分析方法，理解电机从正转到反转的机械特性。

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）P169-176页。

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）P169-176页。

三、设计要求及成果

1、利用Simulink及PowerSystem工具箱建立基于PowerSystem的α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统模型；

2、绘制并分析α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统中，正转、反转过程中转速与电流的变化曲线；

3、绘制并分析α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统中，本桥逆变和反接制动阶段电枢电流、电机转速、电机反电动势以及平波电感反电动势的变化曲线；

4、绘制并分析α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统中，两组整流器的环流变化曲线，绘制并分析电机从正转到反转的机械特性变化曲线；

5、撰写不少于2000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

课程设计任务书......................................................2

题目................................................................5

1.α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模.............................5

1.1α=β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理.....................6

1.2电力系统（PowerSystem）工具箱.................................6

1.3α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模........................7

1.3.1移相控制器的封装........................................7

1.3.2带限幅的PI调节器的封装.................................7

1.3.3α=β配合控制的直流可逆调速系统整体的建模...............8

2.α=β配合控制的直流可逆调速系统仿真实例及分析...................9

2.1系统主要环节的仿真参数.......................................9

2.2仿真波形及分析..............................................10

3.结论.............................................................13

参考文献........................................................14

题目：

α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真

摘要:

针对面向系统传递函数结构图仿真方法的不足，提出了一种基于MATLAB的Simulink和PowerSystem工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速与电流双闭环α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真分别介绍了同步脉冲触发器、移相器控制器和PI调节器的建模，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，仿真结果表明了仿真算法可信度较高。

关键词:

α=β配合控制;直流电机;MATLAB仿真;移项控制器

Abstract:

Anovelmethodofconstruction&simulationwasputforwardforthemodelofα=βmoderatingcontrolDCSRsystembasedonMatlabSimulink&PowerSystemBlockset,becauseitwasshortageforfacingsystemtransferfunctionconstructiondrawingtosimulate.Themodelofsynchronized6-pulsegenerator,shifterandPIcontrollerwereintroduced.andthesimulationresults&modelsfortheα=βmoderatingcontrolDCSRsystemwereprovided.Simulationresultsshowthatsimulationmethodiscorrectwithhighcredibility.

Keywords:

α=βmoderatingcontrol;DCmotor;MATLABsimulation;shifter

引言

品闸管反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一。

这种线路有能实现叫逆运行、回馈制动等优点，同时止转制动和反转启动完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流调速系统的优点，特别是用于要求快速止反转的中小容量的系统。

为保证系统安全，必须增加环流电抗器以消除其中的环流。

α=β控制的有环流可逆调速方式，在实际应用中由于难以准确保持α=β的状态，一旦出现α≠β时，就有可能产生直流环流，使整流器过载或损坏，故实际上并不采用，但研究α=β控制的有环流可逆系统，对理解直流电动机的可逆过程有很大帮助。

本文采用MATLAB的Simulink和PowerSystem工具箱，介绍如何实现α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。

1α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模

控制系统传统的计算机仿真是用传递函数方法来完成的，各环节的传递函数是将实际模型经过一定的简化而得到的，很多重要细节会被忽略PowerSystem工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法与构建实际电路相似，仿真结果非常接近于实际。

1.1α=β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理

α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图1所示。

图中，主电路由两组三相桥式.晶闸管全控型整流器反并联组成，并共用同一路三相电源。

由于采用α=β配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉动环流，为了限制脉动环流的大小，在主电路中串入了四个均衡电抗器Lc1—Lc4，用于限制脉动环流。

平波电抗器Ld，用于减少电动机电枢电流的脉动，减少电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性。

系统的控制部分采用了转速和电流的双闭环控制。

由于可逆调速电流的反馈信号小不仅要反映电枢电流的大小还需要反映电枢电流的方向，因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电流检测器，在电枢端取电流信号。

为了确保两组整流器的工作状态相反，电流调节器的输出分两路，路经止组桥触发器GTF控制正组桥整流器，另路经倒相器AR、反组桥GTR控制反组桥整流器。

图1

1.2电力系统（PowerSystem）工具箱

电力系统工具箱以Simulink为运行环境，涵盖了电工学科中常用的基本元件库。

它由电源、基本元件、电力电子、电机、连接件、测量等6个模块库组成，根据需要可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到有关模块库中。

本实验采用MATLAB7.0.1版本中模块库，其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块，如图2所示。

图2六脉冲触发器、三相晶闸管整流桥、直流电动机

1.3α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模

组成α=β配合控制的直流可逆调速系统的主要子模块包括：

三相交流电源，正、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR及ACR、倒相器、移相控制器，直流电动机。

除了PI调节器和移相控制器模块需要自己封装外，其余均可从有关模块库中直接复制。

1.3.1移相控制器的封装

触发器的控制角（alpha_deg端）通过了移相控制环节（shifter）,移相控制模块的输入是移相控制信号Uc，输出是控制角，移相控制信号Uc由常数模块设定。

移相特性如图3所示。

移相特性的数学表达式为：

图3移项特性及子函数模块

在本模型中取αmin=30°,Ucm=+lOV，所以α=90°-（6*Uc）.

1.3.2带限幅的PI调节器的封装

仿真模型与系统动态构图的各个环节基本上是对应的。

需要指出的是。

双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输山限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和限幅非线性影响下调速系统的上作情况，需要构建考虑饱和输出限幅的PI调节器，过程如下:

线性PI调节器的传递函数为

式中,Kp为比例系数;Ki为积分系数;τ=KpKi。

上述PI调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK中的传递函数或零极点模块。

而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图4所示。

模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。

当该调节器用作转速调节器ASR时,在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。

为了使系统模型更简洁，利用了SIMULINK的打包功能（GreatSubsystem）将调节器模型缩小为一个分支模块，如图所示。

图4带饱和和输出限幅的PI调节器及子系统模块

1.3.3α=β配合控制的直流可逆调速系统整体的建模

将封装后的反组整流器与正组整流器，给定环节、ASR、ACR、直流电动机等一起可构成α=β配合控制的直流可逆调速系统的仿真模型。

在电动机的负载转矩输入端TL接入了阶跃（Step）模块，用于设置负载转加载的时刻，和用于限制负载转矩的最大值，如图5所示。

图5α=β配合控制的直流可逆调速系统整体的模型

2α=β配合控制的直流可逆调速系统仿真实例及分析

α=β配合控制的直流可逆调速系统的仿真模型中，交流电源（au、bu、cu）两组反并联的整流器（VF、VR）和两组触发器（Synchronized6-PulseGenerator）、环流电抗器（Lc1~Lc4）、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系统的主电路。

控制回路由转速给定、转速调节器ASR、电流调节器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模块组成。

其中给定环节可以通过切换开关（ManualSwitch）选择电动机转向，在需要改变转向时，双击该开关即可正转到反转或反转到正传的给定切换。

转速和电流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。

转速调节器ASR和电流调节器ACR由带输出限幅的PI调节器分支电路来完成。

2.1系统主要环节的仿真参数

给定信号：

有两个常数模块和手动切换开关组成。

电源：

交流220V50Hz直流220V

电机参数：

电枢电阻Ra=0.21Ω;电枢电感La=2mH;转动惯量J=1.29kg·m;励磁电阻Rf=14.7欧姆；励磁电感Lf=0亨励磁与电枢绕组互感Laf=0.084；其它为元件默认值。

ASR为PI调节器，其中：

Kp=11.7;Kn=11.49。

ACR为PI调节器，其中：

Kp=1.786;Ki=33.3。

电抗器：

Lc1~Lc4为0.02H,Ld的值为0.035H。

2.2仿真波形及分析

对图5的α=β配合控制的直流可逆调速系统进行仿真，得到调速系统在幅值为10的正、负阶跃给定信号、仿真时间为8s的情况下，得到电枢转速和电流的仿真波形如图6所示。

图中电流和转速为相对值。

从仿真曲线知，当系统给定信号变极性时：

①输出转速能够很好地跟随转速给定信号，过渡过程性能较好；转速极性也随着给定信号改变极性；由于电机有机械惯性的滤波作用，速度输出响应曲线谐波成分较少。

②随着给定信号改变极性电枢电流也改变极性（图中b中有正、负变化），说明实现了转矩可逆；电流波形上升和下降沿很陡，动态性能较好；③由于α=β配合控制的直流可逆调速系统可实现快速回馈制动，转速换向时减速很快，换向性能较优，速度仿真曲线很好地证明了这一点。

（a）电枢转速（b）电枢电流

图6仿真后系统转速及电枢电流的波形

仿真了8s的变化过程，其中0-2.5s为系统的正转起动过程，2.5-4为系统的加载过程，4-8s为系统的反转过程。

在起动过程中可以看到，系统经历了电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，在转速超调后电流迅速下降并且出现负向电流，这与不可逆调速系统的起动过程不同，因为不可逆调速系统不能产生反向电流，而可逆系统反转整流器可以提供反向电流，并加快起动的调节过程。

因为是理想空载起动，起动结束时电枢电流为零。

在2.5s时，电动机加上负载，转速发生波动，并且电流增加，经过Is左右时间的调整，系统达到新的平衡状态，转速恢复到1450r/min，电流上升到120A。

在起动后4s转速给定转速从"+"切换到"-"，系统进入反转的调节状态。

电枢电流迅速改变方向，并从正变到负的最大值，电动机转速也由正变负，系统经历了本桥逆变和反接制动两个阶段。

这两个阶段的放大波形如图7所示。

（a）（b）

（c）（d）

图7本桥逆变和反接制动阶段分析

a）电枢电流b）电动机转速c）电动机反电动势

d）平波电感反电动势

从3.998s反转过程开始到8s时间内，电动机的正向电流下降（见图7a），转速没有太大的变化（见图7b），平波电感的反电动势为负，与电动机电枢反电动势方向相反，且平波电感的反电动势大于电动机电枢电动势（见图7c和图7d），因此是平波电感储能释放，维持电动机的正向电流。

这时，仍是正组桥导通，其控制角为β，系统进入了本桥逆变阶段。

在4s之后，电枢电流开始改变方向，并反方向增加，反组桥进入整流，系统开始反接制动阶段，电动机转速下降。

在4.01s左右，电流开始反向超调，这时在系统电流环的调节下反组整流器变为逆变状态，转速和电动机反电动势进一步减小，电动机的惯性储能释放，并经反组整流器流回电网，这是系统的回馈制动阶段。

在4.3s转速下降为零时回馈制动阶段结束，系统叉开始反向恒流起动过程，直到电动机进入反转的稳定运行阶段。

图8所示为上述α=β可逆调速系统的环流分析。

其中图a、b分别为正转时3.5-3.56s内正组和反组整流器的输出流波形，正组整流器电流中包含了电动机负载电流和环流，反组整流器电流中只有脉动的环流成分，而电动机的电枢电流基本上是平稳的直流（Id=Ivr+Ivf。

）

图8c所示为电动机从正转起动到反转过程中的转矩/转速曲线（机械特性）。

从机械特性可以看到正反转过程经历了特性的三个象限，其中，第一象限电动机工作于正转电动状态，并在起动过程中电动机基本保持了最大转矩的升速;在第二象限电动机转矩变为负，转速减小，电动机工作于正转发电制动状态，这时电动机转速迅速下降到零;在第三象限电动机以最大反向转矩反向升速，最后稳定在反转工作点上，因为转速转矩均为负，所以电动机工作在反转电动状态。

（a）（b）

（c）

图8两组整流器的环流分析及电动机正转到反转过程中的机械特性

a）正组整流器输出电流波形b）反组整流器输出电流波形

c）电动机正转到反转过程中的机械特性

3结论

本文设计的是α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统。

需要用到电力拖动自动控制原理、电力电子技术和自动控制原理等课程的内容，而且要求能够熟练的运用MATLAB这一功能强大的专业软件。

在老师的指导、同学的帮助和自己的努力下，我成功的完成了α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统在MATLAB里面的建模与仿真。

完成这一课题进一步强化我的专业知识、提高我的设计能力。

并学会了使用MATLAB这一功能强大的软件，能够在其中建模与仿真。

仿真结果分析说明在MATLAB仿真的基础上，对直流电动机的控制进行研究更加方便，准确。

能很快了解所控制电机的特性，有利于实现电动机的最优控制。

虽然我按照课题要求完成了此次毕业设计，但仍然存在很多问题。

由于非线性环节线性化处理、近似处理、调节器的饱和非线性等因素导致了工程设计与性能要求有差距。

从而，仿真出来的波形超调量，抗扰性能不是很理想。

所以在系统的仿真过程中，必须经过大量的调试，适当的调整参数，才能得出超调量较低、抗扰性能较好的α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统。

参考文献：

[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