【正文】 MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用（單閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真）摘 要　　本文先對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)以及MATLAB軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行了初步分析。然后著重闡述了兩個(gè)調(diào)速系統(tǒng)——單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模及其參數(shù)的設(shè)置。文中對(duì)著重分析了有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性。接著介紹了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)和直流電動(dòng)機(jī)的PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)速原理。結(jié)果證明各環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且系統(tǒng)顯示出良好的調(diào)速性能、抗擾動(dòng)能力等。而調(diào)速?gòu)拇蟮姆较蚍郑煞譃橹绷髡{(diào)速和交流調(diào)速。近年來(lái)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展迅速，目前，在很多行業(yè)已經(jīng)取代了直流調(diào)速。所以，直流調(diào)速系統(tǒng)依然很有研究?jī)r(jià)值。本文主要研究的就是直流調(diào)速系統(tǒng)。本文使用的仿真軟件是MATLAB及其Simulink工具箱。在調(diào)速系統(tǒng)仿真研究中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，直流調(diào)速系統(tǒng)不只以上三種，在實(shí)際中應(yīng)用更多的還是雙閉環(huán)及至多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于作者學(xué)識(shí)有限，在文中如有不當(dāng)之外，請(qǐng)讀者多多指教。這類(lèi)系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。1　 按被控物理量分。2　 按驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型分。3　 按控制器的類(lèi)型分。二、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程及其應(yīng)用縱觀運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，交、直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使它們所處的地位、所起的作用不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，在相互競(jìng)爭(zhēng)、相互促進(jìn)中，不斷完善并發(fā)生著變化。直到19世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)，且解決了三相交流電的輸送和分配問(wèn)題，并制成了經(jīng)濟(jì)適用的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，才使交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中逐步得到廣泛的應(yīng)用。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開(kāi)始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，然而由于直流電機(jī)具有電刷和換向器，制造工藝復(fù)雜且成本高，維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受到限制等缺點(diǎn)，并且很難向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量發(fā)展，因而逐漸顯示出直流調(diào)速的弱點(diǎn)。僅對(duì)占傳動(dòng)總量1/3強(qiáng)的風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備而言，如果改恒速為調(diào)速的話(huà)，就可以節(jié)電30%左右。目前交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。在功率驅(qū)動(dòng)裝置中、低頻的半控器件——晶閘管在中小功率范圍將會(huì)被高頻的全控器件——大功率晶體管所代替，這既可提高系統(tǒng)性能，又可以改善電網(wǎng)的功率因素。由于交流電機(jī)本身的優(yōu)勢(shì)，交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。3　 網(wǎng)絡(luò)化。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，單機(jī)的控制系統(tǒng)越來(lái)越少，取而代之的是大規(guī)模多機(jī)協(xié)同工作的高度自動(dòng)化系統(tǒng)，這就需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，傳動(dòng)設(shè)備及控制器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)連到現(xiàn)場(chǎng)總路線(xiàn)或工業(yè)控制網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)集中分散的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正由簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng)走向多機(jī)多種控制過(guò)程協(xié)調(diào)的系統(tǒng)集成階段。自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)主要包括直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。一、直流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展概況直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能。按供電方式不同，它可分為交流拖動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)組供電、水銀整流器供電和晶閘管供電三類(lèi)。二、交流調(diào)速控制技術(shù)概況交流電動(dòng)機(jī)自1885年出現(xiàn)后，由于一直沒(méi)有理想的調(diào)速方案，因而只被應(yīng)用于恒速拖動(dòng)領(lǐng)域。第三節(jié) 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真一、計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展簡(jiǎn)史控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門(mén)涉及到控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新型學(xué)科。系統(tǒng)仿真就是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)楦鞣N實(shí)驗(yàn)提供方便、廉價(jià)、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真越來(lái)越多地取代純物理仿真，它為控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算、研究、綜合設(shè)計(jì)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)提供了快速、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)及有效的手段。例如，如果想求系統(tǒng)的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，則首先需要編寫(xiě)一個(gè)求解微分方程的子程序，然后將原系統(tǒng)模型輸入給計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)求出階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，然后再編寫(xiě)一個(gè)畫(huà)圖的子程序，將所得的數(shù)據(jù)以曲線(xiàn)的方式繪制出來(lái)。于是，人們開(kāi)始尋求更加快捷簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)仿真方法。本文將采用面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用SimPowerSystem工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的方法。二、MATLAB仿真軟件的發(fā)展現(xiàn)狀MATLAB的產(chǎn)生是與數(shù)學(xué)技術(shù)緊密聯(lián)系在一起的。從此，MATLAB軟件開(kāi)始形成，并隨著工業(yè)的發(fā)展，不斷的完善。現(xiàn)在MATLAB已經(jīng)能在功能上完成很多不同系統(tǒng)的仿真，并不斷向其它行業(yè)發(fā)展。MATLAB是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,現(xiàn)已成為國(guó)際科技界公認(rèn)的最優(yōu)秀的應(yīng)用軟件之一，在世界范圍內(nèi)廣為流行和使用。Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于：它與用戶(hù)交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入的，從而使得用戶(hù)可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非語(yǔ)言的編寫(xiě)上。第四節(jié) 調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)不同的生產(chǎn)機(jī)械，因生產(chǎn)工藝的不同，對(duì)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求也有所不同，歸納起來(lái)有下列三個(gè)方面[3]：1　 調(diào)速。2　 穩(wěn)速。3　 加、減速控制。上述三方面要注，可具體轉(zhuǎn)化為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面的性能指標(biāo)。下面具體介紹調(diào)速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。越大，說(shuō)明系統(tǒng)的調(diào)速范圍越寬。根據(jù)這個(gè)指標(biāo)的大小，交直流調(diào)速控制系統(tǒng)可分為：① ，為調(diào)速范圍小的系統(tǒng)；② ，為調(diào)速范圍中等的系統(tǒng)；③ ，為寬調(diào)速范圍的系統(tǒng)。靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定轉(zhuǎn)速引起的額定轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱(chēng)作靜差率，有表示，即 ()或用百分?jǐn)?shù)表示 ()靜差率是用來(lái)表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度，它與機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度越高。兩者的硬度相同，即額定速降；但它們的靜差率卻不同，其原因是理想空載轉(zhuǎn)速不同。這就是說(shuō)，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也越差。所以，一般所提的靜差率要求是指系統(tǒng)在最低速時(shí)的靜差率指標(biāo)。例如，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落；當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速降落占；當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)速降落占到；當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)速降落，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)了。也就是說(shuō)，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所提靜差率要求的系統(tǒng)所能達(dá)到的最大調(diào)節(jié)范圍。之間的關(guān)系因?yàn)檎{(diào)速系統(tǒng)的靜差率是指系統(tǒng)工作在最低速時(shí)的靜差率，即 ()于是有，代入調(diào)速范圍的表達(dá)式，得 ()式 () 表示調(diào)速范圍、靜差率和額定轉(zhuǎn)速降之間所應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足的關(guān)系。當(dāng)對(duì)都提出一定要求時(shí)，為了滿(mǎn)足要求，就必須使小于某一個(gè)值。二、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)交直流調(diào)速系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的指標(biāo)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。衡量交直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)可分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類(lèi)。其主要跟隨性能指標(biāo)有[1]：1　 上升時(shí)間。2　 超調(diào)量。3　 調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間是用來(lái)衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程快慢的，調(diào)節(jié)時(shí)間越小，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性越好。減小了超調(diào)量往往就延長(zhǎng)了過(guò)渡過(guò)程調(diào)節(jié)時(shí)間；加快過(guò)渡過(guò)程卻又增大了超調(diào)量。對(duì)于特殊要求的較高性能的系統(tǒng)，還可以考慮采用一些綜合性的優(yōu)化性能指標(biāo)?？箶_性能指標(biāo)當(dāng)控制系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中受到電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化，電網(wǎng)電壓波動(dòng)等干擾因素的影響時(shí)，會(huì)引起輸出量的變化，經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過(guò)程后，系統(tǒng)總能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)后的過(guò)渡過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)擾動(dòng)量，在過(guò)渡過(guò)程中引起輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)表示，即 ()當(dāng)輸出量在動(dòng)態(tài)降落后又恢復(fù)到新的穩(wěn)態(tài)值時(shí)，偏差表示系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落，動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落。2　 恢復(fù)時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，階躍擾動(dòng)下輸出量的動(dòng)態(tài)降落越小，恢復(fù)時(shí)間越短，系統(tǒng)的抗擾能力越強(qiáng)。例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正反向軋制鋼材多次，因而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗擾性能要求較高；而一般不可逆的調(diào)速系統(tǒng)則主要要求有一定的抗擾性能，跟隨性能好壞問(wèn)題不大。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主[1]。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，本章對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并對(duì)最新動(dòng)態(tài)作了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)對(duì)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)仿真作了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)現(xiàn)在非常流行的仿真軟件——MATLAB軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。它分為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。第二章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其MATLAB仿真第一節(jié) 設(shè)計(jì)要求與系統(tǒng)性能指標(biāo)某一電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)為：、。測(cè)速發(fā)電機(jī)為永磁式，其額定參數(shù)為：。設(shè)計(jì)要求：靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；調(diào)速范圍；靜差率。采用面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的方法對(duì)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并建立數(shù)學(xué)模型畫(huà)出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并分別對(duì)單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)，帶電流截止環(huán)節(jié)的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定電壓，即改變了晶閘管觸發(fā)電路的移相角，從而調(diào)節(jié)晶閘管裝置的空載整流電壓和電樞電壓，也就改變了轉(zhuǎn)速[3]。轉(zhuǎn)速為 ()。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加負(fù)載時(shí)。越小，機(jī)械特性的硬度越大。② 電流斷續(xù)時(shí)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕或主回路電感量不大時(shí)，會(huì)造成電流斷續(xù)。，開(kāi)環(huán)VM系統(tǒng)的機(jī)械特性由兩段組成，即電流連續(xù)段和斷續(xù)段。③ 機(jī)械特性的近似處理方法。對(duì)于特性斷續(xù)比較顯著的情況，可以改用另一段較陡的直線(xiàn)來(lái)逼近斷續(xù)段特性。嚴(yán)重時(shí)可達(dá)實(shí)際電阻的幾十倍。第三節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成VM系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管控制角改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速，但是存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大；第二，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變化，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速降落越大，難以在負(fù)載變動(dòng)時(shí)，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，而滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過(guò)放大器A，產(chǎn)生晶閘管裝置所需的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。① 給定環(huán)節(jié)。② 比較和放大環(huán)節(jié)。③ 觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)（組合體）。一般觸發(fā)器的輸出與輸入呈非線(xiàn)形，整流器的輸出與輸入呈非線(xiàn)性，而當(dāng)將觸發(fā)器和整流器作為一個(gè)整體來(lái)分析時(shí)，其輸出和輸入呈線(xiàn)性關(guān)系。該環(huán)節(jié)的作用通過(guò)一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)，將調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成速度反饋電壓，電壓的大小與速度成正比。系統(tǒng)中的電壓、電動(dòng)勢(shì)、電流，在動(dòng)態(tài)分析時(shí)，就認(rèn)為是瞬時(shí)值；在穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，就認(rèn)為是平均值。二、反饋控制規(guī)律 轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有下述三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。① 只用比例放大器的反饋控制系數(shù)，其被調(diào)量有靜差。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，即=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。② 反饋控制系統(tǒng)的作