控制課程設(shè)計--轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、<p><b>　　控制系統(tǒng)課程設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計內(nèi)容：轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一.仿真軟件的選用1</p><p>　　1.1MATLAB簡介1</p><p>　　

2、1.2對SIMULINK的簡介1</p><p>　　二.仿真框圖及說明2</p><p>　　2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹2</p><p>　　2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成3</p><p>　　2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用4</p><p>　　三.參數(shù)設(shè)置及仿真模型圖4</p&

3、gt;<p><b>　　四.仿真結(jié)果7</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型設(shè)計8</p><p><b>　　五.總結(jié)10</b></p><p><b>　　參考文獻10</b></p><p><b>　　致謝10</b&g

4、t;</p><p><b>　　一.仿真軟件的選用</b></p><p>　　1.1MATLAB簡介</p><p>　　MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中

5、，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接

6、其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)O

7、RTRAN，C++，JAVA的支持。</p><p>　　本課題就是充分利用了MATLAB的系統(tǒng)仿真的強大功能，利用仿真，以及仿真出的結(jié)果，客觀的表現(xiàn)出轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的運行現(xiàn)象。</p><p>　　1.2對SIMULINK的簡介</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境

8、中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。</p><p><b>　　功能</b></p><p&g

9、t;　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GU

10、I) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 </p><p>　　Simulink&reg;是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。. </p>

11、;<p>　　構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB&reg; 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。 </p><p><b>　　特點</b>&

12、lt;/p><p>　　豐富的可擴充的預(yù)定義模塊庫 </p><p>　　交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖 </p><p>　　以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理 </p><p>　　通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼 </p><p

13、>　　提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成 </p><p>　　使用Embedded MATLAB? 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法 </p><p>　　使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型 </p

14、><p>　　圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計的性能和異常行為 </p><p>　　可訪問MATLAB從而對結(jié)果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù) </p><p>　　模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤</p><p><b>　　二.仿真框圖及說明</b></

15、p><p>　　2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹</p><p>　　雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性

16、能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降

17、低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。</p><p>　　在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。

18、這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。</p><p>　　(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程</p><p>　　圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持

19、為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。</p><p>　　2.2雙閉

20、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　該雙閉

21、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p

22、>　　2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?。?）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當(dāng)偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　（2）對負載變化起抗擾作用。</p><p>　　（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。</p><p>　　2)電

23、流調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?。?）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。</p><p>　?。?）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。</p><p>　?。?）起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動。</p><p>　?。?）當(dāng)電機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的</p>&l

24、t;p>　　安全保護作用。當(dāng)故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。</p><p>　　3三.參數(shù)設(shè)置及仿真模型圖</p><p>　　確定時間常數(shù)，電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間近似處理 </p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可將電流環(huán)校成典型Ⅰ系統(tǒng)，典型Ⅰ系統(tǒng)的跟隨性較好，超調(diào)量較小。設(shè)傳遞函數(shù)的形式為：&l

25、t;/p><p>　　計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的超前時間參數(shù)：</p><p>　　電流開環(huán)增益 ：要求時，應(yīng)該取,因此：</p><p>　　根據(jù)上述的設(shè)計參數(shù)，電流環(huán)可達到的動態(tài)跟隨性能指標為，符合設(shè)計要求。</p><p><b>　　確定時間常數(shù)</b></p

26、><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)。取，則：</p><p>　　設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，起傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為：</p><p>　　進而可求得，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：</p>

27、<p>　　可求得ASR的比例系數(shù)為：</p><p>　　進入MATLAB界面，單擊工具欄中的SIMULINK圖標，打開SIMULINK的模塊瀏覽器窗口。如圖2所示。</p><p>　　圖2 SIMULINK模塊瀏覽器窗口</p><p>　　1、打開模型編輯窗口：通過單擊SIMULINK工具欄中的新模型圖標或選擇File→New→Model菜單項

28、打開模型編輯窗口。</p><p>　　2、復(fù)制相關(guān)模塊：圖2中的左邊模塊為所需的子模塊庫圖標，右邊為相應(yīng)子模塊庫里的子模塊。雙擊子模塊庫圖標，將所需的子模塊拖入模型編輯窗口。</p><p><b>　　電流環(huán)仿真模型設(shè)計</b></p><p>　　圖3 電流環(huán)仿真模型</p><p><b>　　四.仿

29、真結(jié)果</b></p><p>　　1）KT=0.5時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：</p><p>　　圖4-1 電流環(huán)臨界超調(diào)輸出波形</p><p>　　2）KT=0.25時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：</p>

30、<p>　　圖4-2 電流環(huán)無超調(diào)輸出波形</p><p>　　3）KT=1.0時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：</p><p>　　圖4-3 電流環(huán)超調(diào)較大輸出波形</p><p>　　總結(jié)：從以上各電流環(huán)的圖形得出KT越大時上升時間越快，但同時超調(diào)量也比較大，當(dāng)KT=0.5時，各項動

31、態(tài)參數(shù)較合理。 </p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型設(shè)計</b></p><p>　　圖4-4 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型</p><p>　　1）PI調(diào)節(jié)器按照計算出來的結(jié)果：。空載起動時波形為：</p><p>　　圖4-5 轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動輸出波形</p><p>　　2）滿載運行時起動的波

32、形：</p><p>　　圖4-6 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動輸出波形</p><p>　　3）抗干擾性的測試：</p><p>　　圖4-4 轉(zhuǎn)速環(huán)的抗干擾輸出波形</p><p><b>　　五.總結(jié)</b></p><p>　　這次課程設(shè)計中，我們學(xué)到了許多課堂上學(xué)不到的東西，尤其是在Matla

33、b仿真上面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多時間和精力。</p><p>　　本次課程設(shè)計讓我對《電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)》的核心內(nèi)容---轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解，對典型I系統(tǒng)設(shè)計加深了認識。通過matlab的仿真，使我對雙閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)有了直觀的印象。</p><p>　　課程設(shè)計是對我們在這學(xué)期學(xué)到的電力拖動自動控制系統(tǒng)這門課的理論知識的一

34、個綜合測評，是對我們將理論結(jié)合時間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑。通過對系統(tǒng)的設(shè)計，讓我們對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)各個部分都有所認知。同時也可以通過課程設(shè)計，了解理論知識哪些方面比較薄弱，及時查漏補缺。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳伯時.自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，19

35、81</p><p>　　[2] 陳伯時.《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（第2版）.北京：機械工業(yè)出版社,2004</p><p>　　[3]馮培悌.計算機控制技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990</p><p>　　[4]楊庚辰.《自動控制原理》.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[5]M Depenbrock

36、. Direkte Selbstregelung (DSR) fur hochdynamische Drehfldantrieb mit Stromrichters peisung[J].ETZ-Archiv,Band7,1985</p><p>　　[6]爾桂花，竇曰軒.運動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002</p><p><b>　　致謝</b>&l

37、t;/p><p>　　在此我要感謝我的老師在課程設(shè)計上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設(shè)計的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計能力和自我學(xué)習(xí)能力。</p><p>　　感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這四年來給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如