运动控制(1)大作业-单闭环直流调速系统仿真-直流电机Z4-132-1

目录本科生课程论文...........................................................................错误!未定义书签。一、仿真题目................................................................................................................2单闭环直流调速系统仿真....................................................................................2二、仿真过程................................................................................................................22.1仿真总图.........................................................................................................22.2PWM模块.......................................................................................................32.3电机模块.........................................................................................................32.4仿真结果.........................................................................................................4三、心得体会..............................................................................................................102一、仿真题目单闭环直流调速系统仿真直流电动机：型号为Z4-132-1，额定电压400NUV，额定电流52.2dNIA，额定转速为2610r/min，反电动势系数eC=0.1459Vmin/r，允许过载倍数=1.5；PWM变换器开关频率：8KHz，放大系数：sK=107.5；(538/5=107.5)，直流母线电压为538V。电枢回路总电阻：0.368R；时间常数：电枢回路电磁时间常数lT=0.0144s，电力拖动系统机电时间常数mT=0.18s；转速反馈系数0.00383min/Vs(NnV/10)；对应额定转速时的给定电压VUn10*。在matlab/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。其中PWM变换器利用给出的PWM控制器模块和simulink/Powersystem工具包中的功率封装模块搭建，不能直接利用传递函数建模。比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。给出采用比例调节器（7pK）、比例积分调节器时（7pK，1107）空载起动到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。给出采用比例积分调节器时（7pK，1107）的转速、电流、电枢电压波形，分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。在4s突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出），并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。二、仿真过程2.1仿真总图3图1仿真总图2.2PWM模块图2PWM模块仿真图PWM变换器利用给出的PWM控制器模块和simulink/Powersystem工具包中的功率封装模块搭建。2.3电机模块图3比例积分控制的直流调速系统的仿真图4根据上图和已知数据确定参数，搭建仿真图如下：图4电机模块仿真图2.4仿真结果（1）在matlab/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。利用给出的PWM控制器模块和simulink/Powersystem工具包中的功率封装模块搭建PWM变换器。比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。图5输出限幅设置（2）给出采用比例调节器（7pK）、比例积分调节器时（7pK，1107）空载起动到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。使用比例调节器时，只需将积分一路断开、负载置零即可。5下图展示了使用比例调节器时，空载起动到额定转速的转速波形，分别是10s时与0.5s时的波形。图6比例调节时空载启动转速波形下图展示了使用比例积分调节器时，空载起动到额定转速的转速波形，分别是10s时与0.5s时的波形。图7比例积分调节时空载启动转速波形6将二者比较表1比例与比例积分空载启动时稳态静差和动态性能进行对比稳态转速（r/min）稳态静差（r/min）峰值时间（s）调整时间（s）超调量（%）比例24801300.2530.3201.2比例积分261000.264--由图可知，稳定后转速n=2610r/min，等于额定转速，为无静差系统。这是由于比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，因此积分控制可以实现无静差调速。由上表可知，相较于比例，比例积分的稳态性能好，动态性能稍差。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差但会在一定程度上影响动态性能。（3）给出采用比例积分调节器时（7pK，1107）的转速、电流、电枢电压波形，分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。图8比例积分调节时空载启动电流、转速波形7图9比例积分调节时空载启动电枢电压波形由上图可知，启动电流最大值超过1000A。这是因为在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压时，由于惯性的作用，转速不能立即建立起来，反馈电压为零，相当于偏差电压∆Un=Un*，调节器的输出是Kp*Un*。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，所以会造成电动机过电流。要解决过电流问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节，故可引入电流截止负反馈，当电流大到一定程度时出现电流负反馈，使其不超过允许值。（4）在4s突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出），并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。在step(2)处加入负载扰动，4s时作用，如下图：8图10负载扰动参数设置图11转速、电流、转速调节器输出（启动时）9图12转速、电流、转速调节器输出（扰动时）在4s时加负载后电流波形出现一个波动，调整后电流增大，并且逐渐进入一个新的稳态（有负载，不为零）；同时转速也有一个波动，减小后进入新的转速稳态；转速调节器输出波形的波动显示了转速调节器起作用。由于机械特性较硬，加入负载扰动后，转速、电流、转速调节器的输出稍有变化，经过一个小的波动后进入新的稳态。10三、心得体会本次仿真作业是初学Simulink工具箱，碰到了一些问题并且已经解决。1.数据类型不正确初次仿真时产生error：Inputport1of'untitled2/PWM/NOT'isnotconnected.原因在于直接使用逻辑非门，输入前数据类型为double，输出后数据类型为boolean，无法仿真，因此转换数据类型即可，如下图：或者再添加两个非门2.搭建完成仿真电路后，产生许多错误，无法运行，查阅资料后得知没有添加powergui，powergui可用于对搭建的模块进行统一以及协调以及对相应量的初始化。113.搭建电路时不可想当然，在自控原理中我们比较熟悉负反馈，常用相减的节点来表示负反馈。此电路中的比例积分调节器是采用比例与积分调节器相加，因此节点不应想当然使用减号。这样的错误还不容易被发现，导致仿真时花了许多不必要的精力排查。4.电路运行后，使用repeatingsequence未能得到既定波形，查阅资料、修改仿真步长都未能解决，最后使用一个三角波发生器和一个放大器代替。我认为最让我有收获的是在设计过程中，加深了对转速闭环负反馈控制的理解，构建仿真图让我有了对系统框图有了更加深刻的理解。在仿真中遇到的问题，在很大程度上也培养了我动手解决问题的能力，非常具有实践意义。