電氣工程與自動化專業(yè)課程設(shè)計論文-直流電動機(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)計論文題目直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真專業(yè)電氣工程與自動化姓名班級學(xué)號2011年6月10日直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真II直流電動機(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)與拖動中直流電動機(jī)調(diào)速仿真實驗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，可以替代部分實物實驗然后討論了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。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)計方法對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),進(jìn)行參數(shù)的計算和校驗；給出系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,建立起動、抗負(fù)載擾動的MATLAB/SIMULINK仿真模型。分析系統(tǒng)起動的轉(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級電氣工程與自動化專業(yè)課程設(shè)計論文-1-1.1課題背景直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(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、計算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動機(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，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)計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機(jī)所接受，然后再編制成計算機(jī)程序，并在計算機(jī)上運行。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驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結(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)實的非線性問題的模型，如現(xiàn)實世界中的摩擦、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)實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(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會使你的計算機(jī)成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、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，實驗法與仿真實驗，其

6、中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(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現(xiàn)直流電動機(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，直流電動機(jī)勵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)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運行變到反轉(zhuǎn)運行的時間間隔，突加或突減負(fù)載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運行停止時要求的定

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)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。(3)加、減速。頻繁起、制動的設(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、制動盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個指標(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一般都指電動機(jī)額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載2008級電氣工程與自動化專業(yè)課程設(shè)計論文-3-很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。(2)靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(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，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指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計要求，則高速時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)系在直流電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機(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)直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真-4-系。對于同一個調(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，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直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)實驗原理圖在MATLAB軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的2008級電氣工程與自動化專業(yè)課程設(shè)計論文-5-線路圖。1）仿真具體步驟a、點擊圖標(biāo)，打開MATLAB軟件，在工具欄里根據(jù)提示點擊，點擊MATLAB，打開一個對話框，點擊里的newmodel，創(chuàng)建一個新文件。b、點擊工具欄的，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