【正文】 sis)Design and Simulation of Double Loop DC Motor Control SystemByWu JieSupervised byAssociate Prof. Zhang zhenyanDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyMay, 2014 摘 要為了提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效率，本文介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法[1]，利用 MATLAB軟件，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真的研究。2） 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記。由于這個(gè)課題相對(duì)簡(jiǎn)單，我在里面加入了相關(guān)性的內(nèi)容以豐富本課題的廣度和深度。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等良好的動(dòng)態(tài)性能，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求。 直流調(diào)速系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從七十年代開(kāi)始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無(wú)噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置直流調(diào)速已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的意義，研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能。、無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而得到它們各自的不足之處，從而突出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性以及必要性。 論文的主要研究?jī)?nèi)容，其中包括單閉環(huán)有、無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)以及帶電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)果分析等。從而使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國(guó)內(nèi)外高校教學(xué)和科學(xué)研究的常用軟件。仿真開(kāi)始時(shí)，軟件首先自動(dòng)進(jìn)行被仿真電路和系統(tǒng)的初始化過(guò)程，將系統(tǒng)的框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學(xué)方程，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并計(jì)算系統(tǒng)在給定激勵(lì)下的響應(yīng)。Ode45 (DormandPrince)基于顯式RungKutla(4,5)和Dormand Prince組合的算法，它是一種一步解法，即只要知道前一時(shí)間點(diǎn)的解y(tn1)，就可以立即計(jì)算當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的方程解y(tn)。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程分為兩步:第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在寬范圍內(nèi)進(jìn)行平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。但因直流電動(dòng)機(jī)具有較高的過(guò)載能力、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的啟動(dòng)、制動(dòng)、平滑的調(diào)速性能，可以在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，能在很短的時(shí)間里改變轉(zhuǎn)向，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式[15]。 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 Subsystem模塊 三相對(duì)稱電壓源建模和參數(shù)設(shè)置。頻率為50Hz。由此可以得到三相對(duì)稱交流電源。平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置。直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組接直流電源DC Voltage Source，雙擊此圖標(biāo)。用變量Step表示，其提取路徑為Simulink/Sources/Step,，可以看出開(kāi)始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50，在2s后負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)?00，負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊標(biāo)簽改為“TL”。 平波電抗器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 負(fù)載轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置：雙擊電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)，打開(kāi)電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)話框，其參數(shù)設(shè)置原則與晶閘管整流橋相同。由于同步6脈沖發(fā)生器需要三相線電壓，故取電壓測(cè)量模塊Voltage Measurement。比較環(huán)節(jié)模塊Sum提取路徑為Simulink/Math Operations/Sum，將默認(rèn)參數(shù)“++”改為“+”。Constant參數(shù)設(shè)置為90，Gain參數(shù)設(shè)置為9。，單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速和單閉環(huán)有靜差調(diào)速建模大部分相同，只是把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器換成了PI調(diào)節(jié)器。 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真曲線從仿真結(jié)果可以看出來(lái)，當(dāng)負(fù)載在2s后轉(zhuǎn)矩由50變?yōu)?00時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使得轉(zhuǎn)矩再次恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，和單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的仿真結(jié)果比較，我們可以看出，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比比例調(diào)節(jié)器的要慢。 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的仿真模型7仿真中選擇的算法為ode23tb，Start設(shè)為0，Stop設(shè)為5s。 簡(jiǎn)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較通過(guò)以上三種簡(jiǎn)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析，可以看出來(lái)在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)中存在一個(gè)問(wèn)題，在起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電樞電流會(huì)過(guò)大。通過(guò)對(duì)電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析。由直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，而轉(zhuǎn)矩又和電動(dòng)機(jī)的電流成正比。這就是說(shuō)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖轉(zhuǎn)速、。拖動(dòng)恒定負(fù)載（40N轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為π/3，速度限幅模塊的上限為65，下限為65。由圖可知，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有理想的快速啟動(dòng)過(guò)程：電機(jī)轉(zhuǎn)速n以恒定的加速度呈直線上升，此時(shí)的電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩保持最大的恒定值，幾乎呈填充系數(shù)極高的方形波，這就是時(shí)間的最優(yōu)控制。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真曲線因此，我們可以看出雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。 VM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)，又簡(jiǎn)稱靜止的WardLeonard系統(tǒng)）。4極；Ra=；GD2=22Nm2，勵(lì)磁電壓220V，勵(lì)磁電流If=。過(guò)載倍率λ=，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常熟Ton=。 1）電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算 勵(lì)磁電阻為：勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取0值。虛擬實(shí)驗(yàn)和依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行仿真的不同，在于主電路，后者晶閘管和電動(dòng)機(jī)使用傳遞函數(shù)來(lái)表示，前者的晶閘管和電動(dòng)機(jī)是使用SimPower Systems的模塊，而控制部分相同，但也有不少差異之處。電動(dòng)機(jī)電流上升、轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。下面，我將對(duì)雙閉環(huán)PWMM進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與仿真分析。平波電抗器LP=60mH、RP=。仿真觀察系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。3) 啟動(dòng)仿真并觀察結(jié)果。（a)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線（a）圖中的轉(zhuǎn)速曲線，可以看出直流雙閉環(huán)系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)或仿真可以根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行，也可以用SimPower Systems的模塊來(lái)建立，從而建立虛擬實(shí)驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)電流上升、轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。第5章 總結(jié)與展望本畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題雖然簡(jiǎn)單，但是為了加大本課題的廣度與深度，我參考并設(shè)計(jì)了與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)的課題，這其中包括簡(jiǎn)單的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，即單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)、帶電流截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)、VM直流調(diào)速系統(tǒng)、PWMM直流調(diào)速系統(tǒng)等5種。脈寬調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速范圍、穩(wěn)定性方面有一定的優(yōu)勢(shì)[22]。這是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，我為自己能夠完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)感到開(kāi)心、驕傲。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用廣泛，它可以充分利用直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使得電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中以接近最大允許電流運(yùn)行，且電流內(nèi)環(huán)對(duì)系統(tǒng)也進(jìn)行了改造，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在這里，我要衷心的感謝我的導(dǎo)師張貞艷老師。在這四年大學(xué)里，正是由于諸多老師的關(guān)心和教育，我在專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐方面都有更大的提高，為以后走向工作崗位打下基礎(chǔ)。最后，謹(jǐn)向在百忙中抽出寶貴時(shí)間來(lái)評(píng)審本論文的各位專家、老師致以誠(chéng)摯的