基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计与仿真文档格式.doc
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第一章绪论 1
1.1课题背景、发展及意义 1
1.2课题的主要任务及内容................................................................................................1
1.3论文的内容安排及主要工作 1
第二章直流调速系统理论研究和方案确定 3
2.1双闭环调速系统的工作原理 3
2.1.1转速控制的要求和调速指标 3
2.1.2调速系统的动态性能指标 4
2.2双闭环调速系统的动态分析 5
2.2.1直流电机动态模型 5
2.2.2调速系统的双闭环调节原理 7
2.3双闭环调速系统的起动过程分析 7
2.4转速、电流双闭环直流调速系统 9
2.4.1稳态结构图 9
2.4.2双闭环调速系统组成 10
第三章双闭环直流调速系统的调节器设计 13
3.1按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 13
3.1.1系统设计对象 13
3.1.2系统设计原则 13
3.2转速-电流调节器结构的确定 13
3.3.电流调节器设计 14
3.3.1电流环结构图的简化 14
3.3.2电流调节器结构的选择 15
3.3.3电流调节器的参数计算 16
3.3.4电流调节器的实现 17
3.3.5设计举例 17
3.4转速调节器设计 19
3.4.1电流环的等效闭环传递函数 19
3.4.2转速调节器结构的选择 20
3.4.3转速调节器参数的计算 22
3.4.4转速调节器的实现 22
3.4.5设计举例 23
第四章双闭环直流调速系统仿真 25
4.1电流环系统仿真 25
4.1.1电流环仿真模型 25
4.1.2饱和上限设置 25
4.1.3仿真结果 26
4.1.4仿真结果分析 28
4.2转速环系统仿真 28
4.2.1转速环仿真模型 28
4.2.2设置输入量个数 29
4.2.3仿真结果 29
4.2.4仿真结果分析 31
第五章总结 33
致谢 34
参考文献 35
附录 36
第四章双闭环直流调速系统仿真
第一章绪论
1.1国内外现状及发展意义
随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）常用的控制直流电动机有以下几种：
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行设备制造方便，常用的控制直流电动机有以下几种：
这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转交流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、阐流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。
但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。
第三，自出现汞弧交流器后，利用汞弧交流器代替上述发电机、电动机系统不能比拟的。
但是汞弧交流器仍存在一些缺点：
维修海华丝不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它交流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列有点，采用晶闸管供电，不仅是直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管交流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧交流器（放大倍数1000）高10倍；
在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。
从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。
同时，控制电路也出现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。
微机的应用是直流电气传动控制系统趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。
近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用微机为控制核心的直流电气传动系统装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB、公司的PAD/PSD等等。
随着现代化不发的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不段扩大。
例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；
工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；
计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；
音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。
随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。
变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。
正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年发生了很大的变化。
其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD,DSP控制器等手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。
电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法得以实现。
其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛的应用，。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。
由于有为处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制为智能运动控制系统。
所以应用先进的控制算法，开发数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。
在那些电动机控制系统的性能的要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。
为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。
数字直流调速装置，从技术上，他能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法，完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。
国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的CE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化得应用产品。
我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。
目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
我国关于数字直流调速系统的研究主要有：
综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。
具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。
因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulsewidthmodulation，简称PWM）方向发展。
我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。
但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。
目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。
价格低廉，但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。
1.2课题的主要任务及内容
在工业领域中，实际的传动系统并不如模型那样一成不变，电机本身的参数和拖动负载的参数（如转动惯量）在某些应用场合产生变化，不能使系统在各种情况下都保持设计时的性能指标．而直流电机作为伺服系统的执行元件在跟踪性能方面的要求比一般的调速系统高且严格得多，而且需要更强的抗干扰能力；
对整个系统的控制精度、响应速度有了更高的要求。
因此需要找到一种更优的控制参数来改进直流调速系统的控制效果。
关于工程设计：
直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。
本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。
设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次[4]。
工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；
再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。
应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。
为此本论文对双闭环直流调速系统进行MATLAB仿真与研究。
本课题的目的是研究直流调速系统特性，分析系统的设计要求，通过分析将两调节器都设计为PI调节器，并对两调节器的设计举例进行了仿真，分析仿真结果，探讨直流调速系统的最优控制参数。
1.3论文的内容安排及主要工作
直流电动机的调速性能很好，起动转矩较大，特别是调速性能为交流电动机所不及的，因此，在对电动机的条随性能和起动性能要求较高的生产机械上面，大都使用直流电动机进行拖动。
在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静，动态性能。
由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，在我国许多工业部门，如轧钢，矿山采掘，海洋钻探，金属加工，纺织等场合仍然占有重要地位。
而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。
第一章：
简单介绍了直流电动机的国内外现状和发展意义，以及课题的主要内容和任务。
第二章：
基于直流调速系统介绍了双闭环调速系统的工作原理，并分析调速系统动、静态。
第三章：
介绍了系统设计原则，并详细阐述了转速、电流环反馈控制直流调速系统。
第四章：
通过利用MATLAB中的SUMLINK软件依次按：
建模、设置参数确切的得出了转速、电流环的反馈控制直流调速系统的仿真模型并进行了结果分析。
EquationChapter（Next）Section1
第二章直流调速系统理论研究和方案确定
2.1双闭环调速系统的工作原理
图2-5双闭环调速系统的原理框图
图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接.把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；
转速调节环在外面，叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；
电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。
双闭环直流调速系统的动态结构图．如图2-5所示。
其中电力电力变可以看作是一个滞后环节，其传递函数为：
。
电流和转速反馈系数分别为
2.2双闭环调速系统的动态分析
2.2.1直流电机动态模型
额定励磁下他励直流电动机的等效电路图如图2-3所示。
图2-3直流电动机等效电路图
由图2-3可以列出微分方程整理后得：
（2-9）（2-10）
式（2-9）（2-10）中：
T1=L/R：
电枢回路电磁时间常数
GD2电力拖动运动系统部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2
Ce=30/：
电机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A。
Tm=GD2R/375CeCm：
电力拖动系统机电时间常数，单位为s。
TL：
包括电机空载转矩在内的负载转矩
Idl=TL/Cm：
负载电流
将上述（2-9）、（2-10）式在零初始条件下进行拉氏变换，整理后可以得到额定励磁电流下直流电动机的动态结构图，如下图2-4所示。
图2-4直流电机动态结构图
2.2.2稳态结构图
电流转速两个调节器的输出都是带限幅作用的。
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im。
决定了电流给定电压的最大值；
电流调节器ACR的输出Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
系统的静态结构图如图2-7所示。
a一转速反馈系数，一电流反馈系数
图2-7双闭环直流调速系统的稳态结构
在稳态运行时．两个调节器都不饱和。
ASR的调节作用使转速跟随转速给定，ACR的调节作用使电流跟随电流给定。
只要调节器输入端的反馈信号不等于给定信号，调节器的输出就会发生变化。
当调节器饱和时，输出达到限幅值，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；
换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出问的联系，相当
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