電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文-直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真.doc

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1、電子電氣工程學(xué)院專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文題目直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真專業(yè)電氣工程與自動(dòng)化姓名班級學(xué)號2011年6月10日直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真II直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真摘要:MATLAB仿真在科學(xué)研究中的地位越來越高,如何利用MATLAB仿真出理想的結(jié)果,關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確的選擇MATLAB的仿真。本文就簡單的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真這個(gè)例子,通過對MATLAB的仿真,得到不同的仿真結(jié)果。通過仿真結(jié)果的對比,對MATLAB的仿真進(jìn)行研究。從而總結(jié)出如何在仿真過程中對MATLAB的仿真做到最優(yōu)選擇。詳細(xì)介紹了用MATLAB語言對電機(jī)與拖動(dòng)中直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速仿真實(shí)驗(yàn)的仿真方法和模型建立。其

2、仿真結(jié)果與理論分析一致,表明仿真是可信的,可以替代部分實(shí)物實(shí)驗(yàn)然后討論了MATLAB在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。首先在分析直流調(diào)速系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上,介紹了基于數(shù)學(xué)模型的仿真,在仿真中可靈活調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù),優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。其次完成了基于電氣原理圖仿真,并分析了調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾能力。采用工程設(shè)計(jì)方法對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算和校驗(yàn);給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,建立起動(dòng)、抗負(fù)載擾動(dòng)的MATLAB/SIMULINK仿真模型。分析系統(tǒng)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形,并進(jìn)行調(diào)試,使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理與完善關(guān)鍵詞:直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真;階躍信號;調(diào)節(jié)器;MATLAB仿真

3、2008級電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文-1-1.1課題背景直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代,隨著晶閘管的出現(xiàn),現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展,交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟,以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性,使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場,并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)?,F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的,使用的芯片和軟件各有特點(diǎn),但基本控制

4、原理有其共性。長期以來,仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上,即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受,然后再編制成計(jì)算機(jī)程序,并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少,因此建模通常需要很長時(shí)間,同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家,而對決策者缺乏直接的指導(dǎo),這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink,則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在Simulink中,對系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡單,而且仿真過程是交互的,因此可以很隨意的

5、改變仿真參數(shù),并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外,使用MATLAB中的各種分析工具,還可以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問題的模型,如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象;它可以仿真到宏觀的星體,至微觀的分子原子,它可以建模和仿真的對象的類型廣泛,可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體,也可以是理想的系統(tǒng),可仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小,可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室,用它可對各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法,實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn),其

6、中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,對電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求,這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好,從直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真-2-20世紀(jì)30年代起,就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的:由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制;再進(jìn)一步,用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速;再后來,用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速,使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高,使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛

7、。1.2直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理1.2.1仿真原理直流電動(dòng)機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L供電,并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc調(diào)節(jié)晶閘管的控制角,從而改變整流器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖1-1所示。在仿真中為了簡化模型,省略了整流變壓器和同步變壓器,整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源,直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源直接供。任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備,其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如,最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍,是有級調(diào)速還是無級調(diào)速,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小,從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔,突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng),運(yùn)行停止時(shí)要求的定

8、位精度等等。歸納起來,對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面:(1)調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),分檔地(有級)或平滑地(無級)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。(2)穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行,在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng),以確保產(chǎn)品質(zhì)量。(3)加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快,以提高生產(chǎn)率;不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析,可以針對前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo),叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。(1)調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速maxn和最低轉(zhuǎn)速minn之比叫做調(diào)速范圍,用字母D表示,即mi

9、nmaxnnD(22)其中,maxn和minn一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速,對于少數(shù)負(fù)載2008級電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文-3-很輕的機(jī)械,例如精密磨床,也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。(2)靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí),負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Nn,與理想空載轉(zhuǎn)速0n之比,稱作靜差率s,即0nnsN(23)或用百分?jǐn)?shù)表示%1000nnsN顯然,靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān),特性越硬,靜差率越小,轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的,

10、對于同樣硬度的特性,理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí),靜差率越大,轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。由此可見,調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的,必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過程中,若額定速降相同,則轉(zhuǎn)速越低時(shí),靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求,則高速時(shí)的靜差率就更能滿足要求了。因此,調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。(3)直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中,一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nn作為最高轉(zhuǎn)速,若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為Nn,則按照上面分析的結(jié)果,該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率,即NNNnnnnnsminmin0于是,最低轉(zhuǎn)速

11、為snsnsnnNNN1min而調(diào)速范圍為minminmaxnnnnDN將上面的minn式代入,得snsnDNN1(24)式(24)表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真-4-系。對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng),Nn值一定,由式(24)可見,如果對靜差率要求越嚴(yán),即要求s值越小時(shí),系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。圖1-1直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理1.3仿真過程1.3.1仿真原理圖圖1-2直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖在MATLAB軟件環(huán)境下查找器件、連線,接成入上圖所示的2008級電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文-5-線路圖。1)仿真具體步驟a、點(diǎn)擊圖標(biāo),打開MATLAB軟件,在工具欄里根據(jù)提示點(diǎn)擊,點(diǎn)擊MATLAB,打開一個(gè)對話框,點(diǎn)擊里的newmodel,創(chuàng)建一個(gè)新文件。b、點(diǎn)擊工具欄的,打開元器件庫查找新的元器件。C、原件庫如下圖所示圖1-3原件庫2)所用元器件及其參數(shù)設(shè)置a)三相交流電源A、B、C

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