雙閉環(huán)直流調(diào)速仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙利

(山西大同大學工學院，山西大同037003)

雙閉環(huán)直流調(diào)速仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙利

(山西大同大學工學院，山西大同037003)

面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖仿真方法無需編程且不需推導系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，系統(tǒng)的建模過程接近實際系統(tǒng)的搭建過程，仿真結(jié)果的可信度很高.本文以工程上用的最多的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例，詳細介紹系統(tǒng)建模過程、元器件參數(shù)設置及建模注意的問題，并對仿真結(jié)果進行分析.掌握該方法，有助于自動化專業(yè)學生對所學理論的理解，提高其實踐動手能力，對今后的課程設計和畢業(yè)設計具有重要指導意義.

電氣原理結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 建模 MATLAB仿真

“運動控制系統(tǒng)”是自動化專業(yè)一門專業(yè)主干課程，該課程的要點是：從實際出發(fā)，深入地進行理論分析，應用理論解決運動控制中的實際問題，以計算機仿真等實驗手段驗證理論分析結(jié)果，提高學生分析問題和解決問題的能力.因此，“運動控制系統(tǒng)”是培養(yǎng)自動化專業(yè)學生理論聯(lián)系實際的關(guān)鍵課程.

工程上用的最多的典型Ⅱ型系統(tǒng)是運動控制系統(tǒng)的基礎，所以掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計及其計算機仿真方法，對后續(xù)的課程設計和畢業(yè)設計具有重要的指導意義.

目前，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究.本文提出一種面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，即使用Power System工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法.

在MATLAB5.2以上的版本中新增了一個電力系統(tǒng)(Power System)工具箱(本文使用MATLAB6.5版本)，該工具箱與控制系統(tǒng)工具箱有所不同，用戶不需自己編程且不需推導系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，只需要從工具箱的元件庫中復制所需要的電氣元件，按電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行連接，系統(tǒng)的建模過程接近實際系統(tǒng)的搭建過程，且元件庫中的電氣元件能較全面地反映相應實際元件的電氣特性，仿真結(jié)果的可信度很高.

面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法如下：首先以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎，弄清楚系統(tǒng)的構(gòu)成，從Power System和Simulink模塊庫中找出對應的模塊，按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行建模；然后對系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)進行元件參數(shù)設置，在完成各環(huán)節(jié)的參數(shù)設置后，進行仿真參數(shù)的設置；最后對系統(tǒng)進行仿真實驗，并進行仿真結(jié)果分析.為了使系統(tǒng)得到好的性能，通常要根據(jù)仿真結(jié)果來對系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整.

按照這一步驟，本文將采用面向系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，對典型的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真研究.

1 系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)的設置

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個調(diào)節(jié)器控制，主電路采用三相橋式全控整流電路供電.速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR均設有限幅電路，ASR的輸出作為ACR的給定，利用ASR的輸出限幅起限制啟動電流的作用；ACR的輸出Uc作為觸發(fā)器的移相控制電壓.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分.

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖

1.1 主電路的建模和參數(shù)設置

由圖1可見，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對稱交流電源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成.由于同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋是不可分割的兩個環(huán)節(jié)，通常作為一個組合體來討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進行建模.

圖2 電力系統(tǒng)工具箱

以三相對稱交流電壓源為例，說明主電路各部分的建模和參數(shù)設置方法.

首先打開電力系統(tǒng)(SimPower Systems)工具箱，如圖2.從電源模塊組(Electrical Sources)中選取一個交流電壓源模塊，再用復制的方法得到三相電源的另兩個電壓源模塊，并用模塊標題名稱修改方法將模塊標簽分別改為A相、B相、C相；然后從連接器模塊組(Connectors)中選取“Ground”元件和“Bus Bar”元件，將三相電源接成星形連接方式.

為了得到三相對稱交流電壓源，其參數(shù)設置方法及參數(shù)設置如下：

雙擊A相交流電壓源圖標，打開電壓源參數(shù)設置對話框，A相交流電源參數(shù)設置：幅值取220V、初相位設置成0°、頻率為50Hz、其它為默認值，如圖3所示.B、C相交流電源參數(shù)設置方法與A相相同，除了將初相設置成互差120°外，其它參數(shù)與A相相同.由此可得到三相對稱交流電源.

采用上述原則，可分別對晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等各部分進行建模和參數(shù)設置.

圖3 A相電源參數(shù)設置

1.2 控制電路的建模和參數(shù)設置

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)節(jié)、速度反饋環(huán)節(jié)等.

1.2.1 同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設置

同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分.6脈沖觸發(fā)器可從圖2的附加元件庫(Extra Library)的子模塊組控制模塊(Control Blocks)獲得.6脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步，所以同步電源的任務是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓.同步電源與6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號如圖4(a)、(b)所示.

圖4 同步觸發(fā)脈沖器和封裝后的子系統(tǒng)符號

1.2.2 給定環(huán)節(jié)的建模和參數(shù)設置

從輸入源模塊組中選取“Constant”模塊，并將模塊標簽改為“給定環(huán)節(jié)”；然后雙擊該模塊圖標，打開參數(shù)設置對話框，將參數(shù)設置為某個值，此處設為130 rad/s.實際調(diào)速時，給定信號是在一定范圍內(nèi)變化的，讀者可通過仿真實踐，確定給定信號允許的變化范圍.

1.2.3 ACR限幅值的確定

通過對Uc參數(shù)變化范圍仿真實驗的探索而知，當Uc(即圖4中3端)在50～310范圍內(nèi)變化時，同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作；當Uc為50時，對應的整流橋輸出電壓最大，而Uc為310時對應的輸出電壓反而最小，它們是單調(diào)下降的函數(shù)關(guān)系.為此，將限幅器的上、下限幅值設置為 [130，-130]，用加法器加上偏置“-180”后調(diào)整為[-50，-310]，再經(jīng)反相器轉(zhuǎn)化為[50，310].這樣，在電流環(huán)系統(tǒng)內(nèi)通過限幅器、偏置、反相器等模塊的作用，就可將ACR的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作的范圍之內(nèi).同理，可設置ASR的上、下限幅值為[40，-40].

速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、限幅器、偏置、反相器等模塊的建模與參數(shù)設置都比較簡單，只要分別在Simulink的Math、Nonlinear、Sources模塊庫中找到相應的模塊，并按要求設置參數(shù)即可.

兩個PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設置分別是：ACR：Kpi= 2，τi=100，上、下限幅為 [130，-130]；ASR：Kpn= 1.2，τn=10，上、下限幅為 [40，-40].電流反饋系數(shù)設為0.1，速度反饋系數(shù)設為1.

1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

將上述主電路和控制電路的仿真模型按照雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關(guān)系進行模型連接，即可得到圖5所示的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型.

圖5是采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型.注意到，在整流橋后面，并聯(lián)了一個二極管，它的作用是加快電動機的減速過程，同時避免在整流橋輸出端出現(xiàn)負電壓而使波形畸變.當然，模型中沒有這個二極管，仿真結(jié)果也可以出來.圖5中觸發(fā)器開關(guān)信號為“0”時，開放觸發(fā)器；為“1”時，封鎖觸發(fā)器.

1.4 系統(tǒng)的仿真參數(shù)設置

在MATLAB的模型窗口打開“Simulink”菜單，進行“Simulink”設置，點擊“Simulink parameters…”菜單后，得到仿真參數(shù)設置對話框，仿真中所選擇的算法為ode23tb，由于實際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一種算法，可通過仿真實踐進行比較選擇；仿真Start time一般設為0；Stop time根據(jù)實際需要而定，一般只要能夠仿真出完整的波形就可以了，此處設為0.25 s.

圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

2 系統(tǒng)的仿真及仿真結(jié)果

當建模和參數(shù)設置完成后，即可開始進行仿真.

在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，點擊“Start”命令后，系統(tǒng)開始進行仿真，仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié)果.

根據(jù)圖5的模型，系統(tǒng)有兩種輸出方式：當采用“示波器”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時，只要在系統(tǒng)模型圖上雙擊“示波器”圖標即可；當采用“out1”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時，可在MATLAB的命令窗口輸入繪制命令plot(tout，yout)即可得到未經(jīng)編輯的“Figure No.1”輸出的圖形，對“Figure No.1”圖形編輯后得到的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真圖形如圖6所示.

圖6 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真曲線

3 仿真結(jié)果分析

從圖6仿真結(jié)果可以看出，它非常接近理論分析的波形，說明系統(tǒng)的建模與仿真是成功的.下面對仿真的結(jié)果作一分析.

啟動過程的第一階段是電流上升階段.突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值.第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長.第三階段，當轉(zhuǎn)速達到給定值后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為0，但是由于積分的作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào).轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，ASR輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，實際結(jié)果基本上反映了這一點.

4 結(jié)束語

在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真結(jié)束之際，將建模與仿真參數(shù)設置的一些原則和方法歸納如下：

1)系統(tǒng)建模時，將其分成主電路和控制電路兩部分分別進行.

2)在進行參數(shù)設置時，晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等裝置(固有環(huán)節(jié))的參數(shù)設置原則是：如果針對某個具體的裝置進行參數(shù)設置，則對話框中的有關(guān)參數(shù)應取該裝置的實際值；如果是不針對某個具體裝置的一般情況，可先取這些裝置的參數(shù)默認值進行仿真.若仿真結(jié)果理想，可認可這些設置的參數(shù)；若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù).

3)給定信號的變化范圍、調(diào)節(jié)器的參數(shù)和反饋檢測環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)等可調(diào)參數(shù)的設置，其一般方法是通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)變化.具體方法是分別設置這些參數(shù)的一個較大值和較小值進行仿真，弄清它們對系統(tǒng)性能影響的趨勢，據(jù)此逐步將參數(shù)進行優(yōu)化.

4)仿真時間根據(jù)實際需要而定，以能夠仿真出完整的波形為前提.

5)由于實際系統(tǒng)的多樣性，沒有一種仿真算法是萬能的.不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一種算法更好，這需要通過仿真實踐，從仿真能否進行、仿真的速度、仿真的精度等方面進行比較選擇.

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Abstract:The simulation method of using schematic diagram need neither programming nor deriving mathematical model of the dynamic system，while modeling being close to the actual process，so the credibility of simulation results is higher.Taking an example for double-loop DC adjustabled-speed system,which is widely used in the electrical engineering，this paper introduces the modeling process,Components parameter setting，the issue of modeling and analyzing the simulation results in the last.Mastering the method,it will be useful for students to understand the theory,to improve their practical capacity，and it is of important significance for design of curriculum and graduation in a later.

Key words:schematic Diagram;double-loop DC adjustabled-speed system;building model;Matlab simulation

〔編輯 石白云〕

Design and Implementation of Double-Loop DC Speed Control Simulation System

ZHAO Li
(School of Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi，037003)

TP15

A

1674-0874(2010)03-0070-05

2010-04-12

山西大同大學科學研究項目[2008]

趙利(1968-)，男，山西天鎮(zhèn)人，碩士，副教授，研究方向:電力傳動與運動控制.