直流調(diào)速系統(tǒng)Matlab仿真應(yīng)用

朱賢勇 萬(wàn)曉慧

摘要：搭建Matlab仿真模型，揭示開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題和有靜差的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中比例控制器放大系數(shù)確定原則，由此提出了一種理論問(wèn)題引出與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)方法，該方法能有效彌補(bǔ)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程在傳統(tǒng)教學(xué)中的不足之處，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，便于推廣。

Abstract： Through building Matlab simulation model， to reveale the problems of open loop DC speed regulating system， and parameters determination of the proportional controller in the static DC closed-loop speed control system， a teaching method that theoretical problems combined with simulation experimental verification is proposed， which can effectively make up the deficiency of automatic control system course in traditional teaching，and improve students' interest in learning， easily to be spreaded.

關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；Matlab仿真；理論問(wèn)題引出；仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

Key words： DC speed control system；Matlab simulation；theoretical problem extraction；simulation experimental verification

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）27-0254-03

0 引言

《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》（運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)）是電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課，主要涉及直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。由于該門課程理論性極強(qiáng)，采取以教師理論講解為主、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，而Matlab/Simulink仿真軟件具有強(qiáng)大的控制系統(tǒng)建模與仿真功能，因此，可以將該軟件引入電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)理論教學(xué)課堂，采取一種理論問(wèn)題引出與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)方法，該方法能使學(xué)生對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)有形象直觀認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文將通過(guò)兩個(gè)案例對(duì)這種教學(xué)方法進(jìn)行舉例說(shuō)明，仿真時(shí)只做定性分析，驗(yàn)證理論原理。

1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題案例

直流電動(dòng)機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速時(shí)，其開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1所示。UPE為可調(diào)直流電源，通常為可控整流電路或直流PWM調(diào)壓電路。通過(guò)調(diào)節(jié)給定電壓Uc，直流電機(jī)電樞回路可以得到不同的電壓Ud，轉(zhuǎn)子從而獲得不同轉(zhuǎn)速。

那么，直流電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在什么問(wèn)題？通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，可以回答這個(gè)問(wèn)題。仿真電路如圖2所示。通過(guò)三相晶閘管橋式整流電路將三相交流電整成直流電，在通過(guò)一個(gè)平波電抗器，加載在一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)電樞繞組上，電機(jī)勵(lì)磁回路電壓取500V，TL端給電機(jī)加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，m為電機(jī)參數(shù)測(cè)量端，默認(rèn)為一個(gè)向量，包含的參數(shù)依次為電機(jī)角速度、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩。通過(guò)一個(gè)信號(hào)分解器提取出轉(zhuǎn)子角速度，乘上系數(shù)30/pi，即為電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)同步6脈沖觸發(fā)裝置給三相晶閘管橋式整流電路門極加觸發(fā)脈沖。仿真電路中，各主要元件參數(shù)見表1。

仿真電路中，給同步6脈沖觸發(fā)裝置加50°觸發(fā)角不變，從而直流電機(jī)端電壓不變，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在1秒后由0增加到100Nm，仿真結(jié)果見圖3所示。

由轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果可知，隨著電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速下降，靜差率增大。如果不人為干預(yù)，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)造成的轉(zhuǎn)速下降無(wú)能為力，這就是開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的最大問(wèn)題。我們希望電機(jī)轉(zhuǎn)速唯一由端電壓（即晶閘管觸發(fā)角）決定，而負(fù)載對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言視為擾動(dòng)，設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的目的就是讓轉(zhuǎn)速服從給定，抵抗擾動(dòng)的影響，顯然開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

從理論分析，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

上式中：Ks為晶閘管穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)；Uc為轉(zhuǎn)速給定信號(hào)；R為電機(jī)電樞回路總電阻；Id為電樞回路電流；Ce為電機(jī)電勢(shì)系數(shù)；Φ為電機(jī)勵(lì)磁磁通，當(dāng)采用它勵(lì)直流電機(jī)時(shí)該值可認(rèn)為是常數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)Id接近為零，不同的給定信號(hào)對(duì)應(yīng)不同空載轉(zhuǎn)速，隨著負(fù)載的增加，Id增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之下降。由此表明，仿真實(shí)驗(yàn)與理論相符。

2 有靜差直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中比例控制器系數(shù)確定案例

有靜差直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，該控制系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)、控制器A、可調(diào)直流電源UPE、直流電機(jī)、轉(zhuǎn)速測(cè)量反饋環(huán)節(jié)，其中，控制器A只是一個(gè)比例放大器。

通過(guò)分析已經(jīng)得出，當(dāng)要同時(shí)滿足調(diào)速范圍與靜差率指標(biāo)（通常靜差率不超過(guò)某個(gè)數(shù)值）時(shí)，控制器的比例放大系數(shù)KP必須大于等于某個(gè)值，而且KP越大，調(diào)速系統(tǒng)靜差率越小，理論上當(dāng)KP為無(wú)窮大時(shí)，靜差率為0，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)就成為無(wú)靜差的調(diào)速系統(tǒng)。那么，是不是KP取值越大越好？通過(guò)一個(gè)仿真系統(tǒng)來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。仿真電路如圖5所示。

圖5中，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)為10，將電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)反饋系數(shù)0.01后與給定信號(hào)的差值信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例放大系數(shù)KP后，作為同步6脈沖觸發(fā)裝置觸發(fā)角給定信號(hào)，主電路結(jié)構(gòu)與圖2相同。電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在1秒后由50Nm變?yōu)?00Nm。討論問(wèn)題為，隨著比例放大系數(shù)KP逐漸增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速如何變化。不同KP值下的電機(jī)轉(zhuǎn)速見圖6至圖9。

由圖6至圖9可知，隨著比例控制器放大系數(shù)KP值逐漸增大，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由50Nm變?yōu)?00Nm時(shí)造成的轉(zhuǎn)速降落逐漸減小，即KP值越大，負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速的影響越小，在調(diào)速范圍不變時(shí)，系統(tǒng)的靜差率越小。但是，隨著KP值的增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程波動(dòng)越大，當(dāng)KP超過(guò)某個(gè)數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)中，比例控制器放大系數(shù)KP的取值不僅要滿足所提出的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，還應(yīng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。那么，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，KP該如何取值？要回答這個(gè)問(wèn)題，就必須建立有靜差直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)兩個(gè)案例，成功地將Matlab/Simulink仿真軟件引入電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)理論教學(xué)中，做到理論問(wèn)題引出與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，使抽象、深?yuàn)W的理論知識(shí)直觀易懂，也能培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。這種教學(xué)方法也可以在《電路》、《電機(jī)學(xué)》、《電力電子技術(shù)》和《自動(dòng)控制原理》等課程中推廣應(yīng)用。

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