单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真

本科毕业设计第1页共37页1绪论直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切割机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来直流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该很好的掌握直流系统。我们可以首先从单闭环转速负反馈直流调速系统来研究。由于系统需要观察较多的性能，计算参数较多，而MATLAB中的Simulink实用工具可直接构建其动态模型，省去大量的计算，通过修改动态模型可完善系统性能。1.1直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服系统、张力控制系统等其他多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的驱动控制系统。调速系统目前分为交流和直流调速控制系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好并且具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上更加成熟。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的自动控制系统。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以转换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，建筑、办公、家庭自动化控制设备提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，因此，人类社会的生产、生活发生了巨大变化。随着新型电力电子器件的研究和开发，先进控制技术的发展，电力电子和电力传动控制装置的性能也不断优化和提高，这一变化的影响将越来越大。单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越来越被大众接受。单闭环直流调速系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机、闭环控制系统组成。我们可以通过调节晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。本科毕业设计第2页共37页1.2MATLAB简介在1980年前后，美国的克利夫博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程非常不方便，他们构思和开发了Matlab（MATrixLABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，它使的矩阵的运算变得异常容易。MATLABSGI是由美国MathWorks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两个主要部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。1998年，MATLAB增加了电力系统模块库，该模块库以Simulink为运行环境，是建立在Simulink标准模块和M语言基础上的一个附加模型库，它提供为电力系统仿真分析专用的各种线性与非线性元件和模块。尤其是在MATLAB6.X之后的版本中，SimPowerSystems的元件库进行了扩种，用户可以在库中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等几乎所有常用的新型电力电子器件模型，给使用带来极大的方便。可视化图形仿真功能实在SIMULINK环境下进行的。进入MATLAB系统后打开浏览窗口到模块库，用鼠标左键双击其中的SimPowerSystems即可弹出电力系统工具箱模块库。它主要包含以下几类：电源库、元件库、机组模型、电力电子元件库、测量元件、连接元件、其他元件、电力图形用户界面、演示系统等，基本涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，其元件和模块是由电力工业领域的专家提供并得到实际证明的，符合电力专业分析软件的要求。这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。利用这些模块及其他库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行分析。直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。如在设计过程中使用本科毕业设计第3页共37页Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试。本文运用MATLAB中的SimuLink实用工具对设计电路进行了仿真。1.3国内外现状从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。在这个时期，直线电机领域的研究人员通过对直流电机在历史发展中多次起落的分析，终于选择了一条适合直流电机自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转电机系统相比，从而找到适合于自己的系统与旋转电机展开竞争，在旋转电机无能为力的地方寻找自己的位置。例如，直线电机应用于磁悬浮列车，液态金属的输送和搅拌，电子缝纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等等。直线电机走自己的道路，在满足人类需求的过程中求得自身的发展。在世界上一些发达国家，许多人和不少著名电气企业均在研究和开发直线电机产品，例如美国的西屋（Westinghouse）公司、德国的西门子（SIEMENS）公司、英国、法国、瑞典，特别是日本，其人员之多和范围之广是世界首屈的。我国直线电机的研究和应用发展是从20世纪70年代初开始的。主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱动遥控（电动）窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机等，我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存在很大差距。在70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库.EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期，身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler,在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库,但他发现学生用本科毕业设计第4页共37页FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵(matrix)和实验室(labotatory)两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流传。1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类。一类是数值计算型软件，如MATLAB,Xmath,Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件,Mathematica,Maple等。这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精确解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位。在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB4。0版，1995年推出4。2C版（forwin3。X）1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。MATLAB5。X较MATLAB4。X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3。0或IE4。0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地浏览。时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，MATLAB一定会盛行起来。可以说，无论你从本科毕业设计第5页共37页事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。本科毕业设计第6页共37页2调速控制系统的性能指标2.1直流电动机工作原理2.1.1直流电动机构成（1）定子：主磁极、换向磁极、端盖、机座、电刷装置；（2）转子：电枢绕组、电枢铁心、换向装置、转轴、风扇；（3）气隙。2.1.2直流电机励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按照励磁方式，直流电机分成他励和自励两大类，其中自励式又分为并励、串励和复励三种。图2.1给出了这四种励磁方式的电路图。2.1.3直流电动机工作原理如果将直流电压直接加到线圈上，导体中就有直流电流通过。设导体中的电流为i，载流导体在磁场中将受到电磁力f，f=bil，作用于线圈上的电磁转矩T则等于2倍的电磁力乘上力臂，即22DTfbilD（2.1）式（2.1）中，D为电枢外径。若电流i为恒定，转子旋转一周时，气隙磁通密度b的方向为一正一负，因此电磁转矩T将是交变的，一个周期的平均值为0，无法使电枢持续旋转，然而在直流电动机中，电流并非直接接入线圈，而是通过两个电刷和换向器再接入线圈，这样情况就不同图2.1直流电动机按励磁方式分类a）他励式b）并励式c）串励式d）复励式本科毕业设计第7页共37页了。因为两个电刷静止不动，电流i总是从正极性电刷流入，经过旋转的换向片，由另一个电刷负极性电刷流出。故当导体旋转而交替的处于两个磁极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转。此时电刷和换向器起到把外部电源流入的直流，改变成线圈内的交流的“逆变”作用。这就是直流电动机的工作原理。2.2电动机调速指标稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此稳