基于MATLAB的直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)研究

楊賀娟,馬 驥

(沈陽大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧沈陽 110044)

基于MATLAB的直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)研究

楊賀娟,馬 驥

(沈陽大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧沈陽 110044)

首先介紹了用Simulink搭建轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的具體過程.對(duì)轉(zhuǎn)速反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)整定,最終得出系統(tǒng)超調(diào)量滿足5%≤σ≤10%的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)范圍.分析調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響,并得出兩者之間的關(guān)系.

直流調(diào)速;轉(zhuǎn)速反饋;參數(shù)整定;仿真;MATLAB/Simulink

1 直流調(diào)速系統(tǒng)

直流調(diào)速系統(tǒng)以其靜差率小、調(diào)速范圍廣、穩(wěn)定性能好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能等多方面的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用范圍十分廣泛[1].本文重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的構(gòu)成、其參數(shù)整定過程,并分析了其參數(shù)變化規(guī)律.

本文中的轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)如下:給定輸入電壓U＊n=10 V,晶閘管放大倍數(shù)Ks=40,晶閘管的失控時(shí)間Ts=0.001 7 s,電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.03 s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18 s,電樞回路總電阻R=0.5Ω,電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ce= 0.132 V·min/r,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.007.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求為:系統(tǒng)的超調(diào)量滿足5%≤σ≤10%.

轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器分為比例調(diào)節(jié)器、微分調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器[2].串聯(lián)校正系統(tǒng)中,比例調(diào)節(jié)器的作用是可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益,減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度.但是會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性,甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定.積分調(diào)節(jié)器有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高,使相角滯后90°,對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分不利.綜上,本文采用比例積分調(diào)節(jié)器完成該系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)及參數(shù)分析.轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 帶有比例積分控制器的直流調(diào)速系統(tǒng)

圖1中,Kp為控制器的放大倍數(shù),τ為積分控制器的積分系數(shù).Kp,τ為系統(tǒng)控制器的可調(diào)參數(shù).

2 系統(tǒng)參數(shù)整定及臨界值的確定

2.1 仿真模型的建立

用Simulink對(duì)轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定,首先要利用Simulink工具箱搭建系統(tǒng)仿真模型,其具體過程如下:進(jìn)入MATLAB,單擊MATLAB命令窗口工具欄中的Simulink圖標(biāo),打開Simulink模塊瀏覽器窗口[3].

在模塊瀏覽器窗口中選擇所需子模塊:按下鼠標(biāo)左鍵選中所需模塊,拖入模型編輯窗口.連接各個(gè)拖入的子模塊,組成轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖[4].

要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,必須設(shè)置各模塊的初始參數(shù)[5].以系統(tǒng)仿真框圖中的Transfer Fcn子模塊為例.用鼠標(biāo)雙擊該模塊,則出現(xiàn)如圖2所示的參數(shù)設(shè)置窗口,按照本設(shè)計(jì)要求調(diào)整該窗口中的參數(shù),最后單擊“OK”鍵.這樣就完成了初始參數(shù)的設(shè)置.按照相同的方法設(shè)置其他子模塊的初始參數(shù),得到如圖3所示的符合設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型.

2.2 參數(shù)整定及臨界值的確定

經(jīng)理論計(jì)算,當(dāng)Kp=1.17,τ=0.87時(shí),系統(tǒng)的超調(diào)量小于10%.現(xiàn)以這兩個(gè)數(shù)值為依據(jù),對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定.對(duì)于這兩個(gè)參數(shù),先固定一個(gè),改變另一個(gè)參數(shù)值,將不同的參數(shù)值分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,得出系統(tǒng)的最優(yōu)值與臨界值,而后用同樣的方法對(duì)另一個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[6].

單擊啟動(dòng)仿真工具條的按鈕或選擇Simulation→Start菜單項(xiàng),再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結(jié)果,這是啟動(dòng)仿真的過程.

圖2 參數(shù)設(shè)置窗口

圖3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定后的仿真模型

如果從顯示的仿真結(jié)果還不能對(duì)階躍響應(yīng)的過渡過程有一個(gè)清晰的了解,那么就需要對(duì)示波器的顯示格式作修改.選中Simulink模型窗口的Simulink→Simulink parameters菜單項(xiàng),打開對(duì)話框,對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.再一次啟動(dòng)仿真過程,然后啟動(dòng)Scope工具條中的按鈕,顯示自動(dòng)刻度(Autoscale),按照?qǐng)D像的大小范圍,設(shè)置為坐標(biāo)的上、下限,從而得到清晰的仿真輸出曲線.

(1)當(dāng)Kp=1.17時(shí),τ取不同值,系統(tǒng)的超調(diào)量變化如表1～表3所示.

根據(jù)系統(tǒng)要求超調(diào)量的范圍,找出控制器參數(shù)的臨界值,表2、表3將表1中的τ值細(xì)化,以便準(zhǔn)確地找出臨界值.表2是對(duì)確定參數(shù)下界的細(xì)化表,表3是對(duì)確定參數(shù)上界的細(xì)化表.

表1 τ取不同值時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量變化表(a)

表2 τ取不同值時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量變化表(b)

表3 τ取不同值時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量變化表(c)

根據(jù)表1～表3,可知系統(tǒng)當(dāng)Kp=1.17時(shí),參數(shù)τ的取值在0.47～0.77之間滿足系統(tǒng)對(duì)超調(diào)量的要求.

(2)當(dāng)τ=0.87時(shí),Kp取不同值,系統(tǒng)的超調(diào)量變化如表4～表6所示.

根據(jù)表4～表6可知,當(dāng)τ=0.87時(shí),參數(shù)Kp在0.65～0.95和1.45～2.05這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)滿足系統(tǒng)對(duì)超調(diào)量的要求.

表4 Kp取不同值時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量變化表(a)

表5 Kp取不同值時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量變化表(b)

表6 Kp取不同值時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量變化表(c)

通過對(duì)仿真結(jié)果的分析可以得出,Kp= 1.17,τ=0.6和Kp=1.85,τ=0.87,符合設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)結(jié)果.兩組參數(shù)的仿真結(jié)果如圖4、圖5所示.

圖4 Kp=1.17,τ=0.6時(shí)的仿真結(jié)果

圖5 Kp=1.85,τ=0.87時(shí)的仿真結(jié)果

將圖4和圖5相比較,圖4的超調(diào)量σ= 8.4%,圖5的超調(diào)量σ=8.53%,圖5的超調(diào)量要大一些,但是圖5的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間要比圖4中的小,所以圖5的參數(shù)設(shè)計(jì)值使系統(tǒng)更優(yōu).

3 結(jié) 論

通過對(duì)轉(zhuǎn)速直流調(diào)速系統(tǒng)的不同參數(shù)的仿真可知,在同一輸入下,無論控制器參數(shù)怎樣變化,系統(tǒng)輸出穩(wěn)定值均相同.對(duì)于應(yīng)用比例積分控制器的轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)Kp取值相同時(shí),隨著τ值的降低,超調(diào)量σ不斷增加;當(dāng)τ取值相同時(shí),隨著Kp的增大,超調(diào)量σ先減少后增加,而且參數(shù)τ對(duì)超調(diào)量的影響要比參數(shù)Kp大13倍左右.

[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:35-40.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2001:223 -226.

[3]薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:145-155.

[4]劉洋,范立南.基于MATLAB的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào),2010,22(5):11-14.

[5]沈玉吉,萬福才,馮麗娜.轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào),2010,22(5):15-17.

[6]張曉明,王剛,陳奪,等.轉(zhuǎn)速、直流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真及參數(shù)整定[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào),2010,22(5):18-21.

Parameters Research of Direct Current Governor System Based on MATLAB

YAN G Hejuan,MA Ji
(School of Information Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

The specific process of the simulated model build of speed feedback dc-speed control system with Simulink is introduced.Simulating the speed feedback dc-speed control system,then setting parameters, finally getting the range of the speed regular ASR’s parameters that make the system loop is more than 5%,less than 10%.Analyzing the effect between regular parameters change and the system loop is to get the relation of regular parameters and the system loop.

direct current governor;speed feedback;parameter setting;simulation;MATLAB/Simulink

TM 921.0

A

1008-9225(2011)06-0115-03

2011-06-07

楊賀娟(1988-),女,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)碩士研究生;馬 驥(1953-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)教授.

【責(zé)任編輯 劉乃義】