开环直流调速控制系统与仿真

《计算机仿真及应用B》答卷

学号：

姓名：

班级：

任课老师：

开环直流调速控制系统的仿真

1、开环直流调速控制系统的组成

开环控制系统是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响。对于被控制量相对于其预期值可能出现的偏差，开环控制系统不具备修正能力。而直流调速开环控制系统通常是采用调节电枢电压方案，具体实现在20世纪60年代晶闸管整流器的应用而采用由晶闸管整流器和电动机（V-M ）系统实现开环或闭环控制调速系统。

2、开环直流调速控制系统仿真

（1）基于数学模型的开环直流调速系统仿真。

①开环直流调速控制系统数学模型。

开环直流调速控制系统主要包括给定信号、晶闸管触发装置及整流环节、平波电抗器和直流电动机等4个环节。这里所说的基于数学模型的系统仿真主要是指基于传递函数的matlab 下的Simulink 下的实现，再通过机理法可以建立开环直流调速控制系统动态结构图，如图1-1所示。

然后，根据系统I 直接给出各个环节的传递函数及参数。可以得到系统I 开环控制的动态结构图，如图1-2所示。 ②开环直流调速系统仿真实现。

图1-1 开环直流调速控制系统动态结构图

图1-2 系统I 的开环系统动态结构图

根据系统I 的开环系统动态结构图及其参数值，在matlab 的Simulink 环境可以轻松的建立系统的仿真结构，如图1-3所示。电动机的转速输出动态曲线，如图1-4所示。

I L (S) — n(s) U *n (s) 一 1/R a T d S+1 R a C e T m S

C e K s T s S+1 U d (s) I d (s) I L (S) — n(s) U *n (s) 一

1/0.08 0.025s+1 0.08 0.185×0.8s 0.185 23 0.0017s+1 U d (s) I d (s)

图1-3 系统I仿真模型

图1-4 电动机转速输出曲线

通过改变给定信号的大小，来实现对电机输出转速的控制与调节的目的。在仿真系统中的实现过程就是改变系统给定的阶跃信号的大小。但是开环控制系统的最大的缺点就是：无法实现的电网电压的波动以及电机负载变化等扰动信号对转速影响。由于负载的增加，使电动机的转速降低，而在系统稳定之后转速并没有恢复到原系统输出值。

（2）基于电气原理图的系统仿真。

基于电气原理图实现系统的仿真实现主要过程是依据系统原理图，根据具体实现的不同功能，将整个系统划分为若干子模块，通过matlab中SimPowerSystems工具箱电气元件以及其他工具箱中的模块，组合实现子模块的仿真与建模，最终再依据电气原理图的电气连接实现各个子模块的连接即实现整个系统的建模。开环直流调速控制系统原理图，如图2-5所示，下面分别介绍各模型及参数。

①三相对称交流电源模型。

从SimPowerSystems工具箱中Electrical Sources（电源）库中选择AC.Voltage Sources(交流电压源)模块，参数设置如图2-1所示，即相电压峰值220V，频率50Hz。初始相位0°，并将模块标签改为A，表示为三相对称交流电源A相。通过复制得到两个电压源模块，更改二者参数初始相位为120°和240°，即为B、C相电源，同样将标签改为B、C。在connectors 库中选择Bus bar和输出型接地模块，进行相应连接得到三相对称交流电源。

②晶闸管整流器模型。

从SimPowerSystems 工具箱中的Power Electronics 库中选取Universal Bridge 模块，并将模块标签改为SCR ，然后双击模块图标，打开Block Parameters ：Universal Bridge 对话框进行参数设置，如图2-2所示，此参数一般要参考实际选取交流装置。

图2-1 A 相电压源参数设置

图2-2晶闸管整流器模型参数设置

③ 直流电动机模型。

直流电动机固有参数是以某电动机铭牌标示的电动机数据计算而获得，这些数据是建立电动机模型的基础。已知某直流电动机调速系统（简称系统I ），控制系统主回路与直流电动机的主要参数如下。

● 电动机：P nom =150kW ；n nom =1000r/min ；I nom =700A ；R a =0.05Ω。

● 主回路：R d =0.08Ω；L d =2mH ；全控桥式整流m=6。

● 负载及电动机转动惯量：GD 2=125kg*m 2。

计算得到此直流电动机的相关参数如下。

● 电势常数：C e = = =0.185V/(r*min -1)。

● 转矩常数：C m = = =0.18kg*mA 。

● 电磁时间常数：T d = = =0.025s 。

● 机电时间常数：T d = = =0.8s 。

下面为直流电动机参数设置。

电动机模型位于SimpowerSystems 工具箱下machines 库中的DC machines

U nom —I nom R a n nom 220—700*0.05 1000 C e 1.03 0.185 1.03 L d R d 2*10-3 0.08 GD 2R d 375C m C e 125*0.08 375*0.18*0.18

模型的端子功能如下。

●F+和F-：此端子为直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正极和负极。

●A+和A-:电动机电枢回路控制端。

●TL:电动机的负载转矩信号输入端。

m：电动机信号的测试端，包括转速w（rad/s）,电枢电流I a（A），励磁电流I f (A) ,电磁转矩T e(N.m)。

将直流电动机模块拖曳到模型窗口，双击图标，打开BLOCK Parameters:DC machine 对话框，如图2-3所示，参数定义如下：

●Armature resistance and inductance[Ra (ohms)La (H) ] :电枢电阻（Ω）和电感（H）。

●Field resistance and inductance [Rf (ohms) Lf (H) ]：励磁回路电阻（Ω）和电感（H）。

●Field-armature mutual inductance Laf (H) :电枢与励磁回路互感（H）。

●Total inertia J (kg.m^2)：电机转动惯量(kg*m2)。

●Viscous friction coefficient Bm (N*m*s)：粘滞摩擦系数(N*m*s)。

●Coulomb friction torque Tf (N*m)：静摩擦转矩(N*m)。

●Initial speed (rad/s) :初始速度。

在上述参数基础之上，根据仿真研究直流电动机的铭牌数据，可以很容易建立对象的数学模型。

图2-3电机参数设置图2-4平波电抗器参数设置

④主回路平波电抗器模型。

为了负载电流连续等原因，实际应用中在主电路中需要加入平波电抗器，建摸过程是从Elements模型库中，选取series RLC branch模型。在matlab工具箱中没有纯电阻、纯电容以及纯电抗器，而Elements模型库有series RLC branch（串联支路）和parallel RLC branch （并串联支路）元件，通过对两者的参数进行设置，可以实现纯电阻、纯电容以及纯电抗电气元件。参数设置如图2-4所示

⑤同步脉冲触发器模型。

为了使得仿真模型简洁，对各个功能模块进行子系统封装，但是此过程在要封装的子系