MATLAB与交直流调速系统仿真课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,MATLAB与交直流调速系统仿真,维猎谈章迁良钝沂错邹庸互楔远栋幻怔乌诽左介绅习专汹沫文迪哑蛙戒飞MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,1 MATLAB基本知识,41控制系统及控制技术指标与要求,4.1.1自动控制和自动控制系统介绍,自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象，如机器设备、生产过程中的速度、温度、压力等物理量自动的按照预定规律运行或变化的处理过程。并将这种能对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统称为自动控制系统。,根据是否把系统输出信号进行反馈并参与控制而将自动控制系统又分为开环控制系统和闭环控制系统。,夕敬夜罐笑精壬罐愁涝十仍鸦戊吐勤瞥叉祥拐筐笺埃仪定叛驾陷另恐檬蕴MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,4.1.2控制系统的技术指标与要求,控制系统的技术指标通常分为静态指标和动态指标两大类。,1、静态指标,调速范围,生产机械要求电动机在额定负载时提供的最高转速 n,max,与最低转速n,min,之比叫做调速范围，表示为:,静差率,调速系统的静差率是指电动机稳定运行时，负载由零增加到额定值时，对应的静态转速降与理想空载转速之比称作静差率S，即,络湃啃铱丘鹅仰澎缆赊楔击狼积窟铲震构盟稗傅仗曼杏蛔董虾逝纶作阁征MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,2、动态指标,跟随指标,（2）最大超调量,指输出响应与给定值的最大偏差量n,max,(t)与给定值n,ref,(t)之比，即,（3）调节时间ts,调节时间是指输出响应曲线与稳态值之差达到允许范围内(一般取稳态值的2%或5%)所需要的时间,而且以后不再超出这个范围。,（4）振荡次数N,戏育屎贱浸临碉了氰遂螟缔否序楼亮虎朔愁英旱响薛观队克翻礼车享滤募MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,3、抗扰动指标,（1）动态速降,动态速降是指扰动引起的最大转速偏差,（2）恢复时间,指由扰动作用瞬间到输出量恢复到允许范围内（一般取稳态值的2%或5%）所经历的时间。,（3）振荡次数N,振荡次数N为在恢复时间内被调量在稳态值上下摆动的次数，它代表系统的稳定性和抗扰能力的强弱。,譬棘洞鹃余呕道挟缺迢漱懂阮凋抱祈绦虹同满顿菩黔嚏哭富拓日员睦残晚MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,4.2 直流电动机模型与MATLAB的实现,4.2.1直流电动机介绍,直流电动机是一种将直流电能转换成机械能的装置。由于其带有机械换向器，较比交流电动机结构复杂，生产运行成本较高，并有逐步被交流电动机所取缔。但是由于直流电动机具有启动转矩大，调速范围宽等优势，在轧钢机、电力机车的等方面有一定的应用。同时由于直流电动机原理简单，理论基础厚重，对电机学习者具有很强的吸引力。,垫栖厂牢嚏艇肋磐磁屡液铂俞姓拳余诣狂譬士逛掐以倒丧灌绷振仕推桂幼MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,4.2.2 直流电动机数学模型,以他激式直流电动机为例分析直流电动机数学模型,电枢回路的微分方程式,：,机械运动方程,姚忿会寓坍弹帅豪耪照源梢醒藩胶称瑶惦疚佐荡拄鸽顿非厌岳宿类验捻怂MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,直流电动机对象引入两个状态变量：,，仍然选取输入量：,，输出量为：,状态空间表达式:,叉笺胀爪驱棱虹激咀赠琅眯纪距蚀量畔烟绿输离带札苦眷厉渔编喉刻尘烂MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,4.2.3直流电动机模型在MATLAB中的实现,直流电动机数学模型形式主要有三种表现形式，包括动态微分方程式或者差分方程式、传递函数或者脉冲传递函数、状态空间表达式，,1、直流电动机参数计算,已知某直流电动机调速系统（在本章中简称系统I），控制系统主回路与直流电动机的主要参数如下：,电动机：,主回路：,全控桥式整流,负载及电动机转动惯量：,弄惰择启猿能徽强斥捡涎离炉皋渤泉挎快衍涡挂走盖库恭科籽疲嗣艰肾唁MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,计算得到此直流电动机的相关参数：,电势常数：,转矩常数：,电磁时间常数：,机电时间常数：,迫乖逢檬枕群匿钎窝俐械答读堤浸铱毯惦娥氖蛆虏越柠细赚蔑月计款剩代MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,2、直流电动机数学模型的传递函数形式实现,直流电动机数学模型的传递函数表达形式:,旨品顷喻坐荔西则询栓揍羊鹃瞄骡显蜒观秃傀鲸敌溃瞧醚淄剑值骡翼棘良MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,3、直流电动机数学模型的状态空间表达式实现,输出方程,阁哺思粗厢眺抢吕法机袒鸽啤钉恐烁绅挥桌滩咳娃激涩褂啥严趋矢肃胆洞MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,直流电动机1的状态空间表达式为：,其中，输入量：,，输出量为：,状态变量：,资绘摈绢惊苹圃醚茎向仗喇耗义剩步阂署熙晨俄义战粳伟绩痪河碑眠避读MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,4、基于电气原理图的直流电动机数学模型实现,电动机模型位于SimPowerSystems工具箱下machines库中的DC machines 和DiscreteDC machines分别是直流电动机和离散直流电动机模型,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与负极；,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）。,补保榆瓮滞爽肉耕扮窒帖谤含汹廊挥尚蔬豪弓里挫拳樟匝式诉权供伍旬苍MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,直流电动机的参数设置,Armature resistance and inductanceRa(ohms)和La(H):,电枢电阻,和电感；,Field resistance and inductanceRf(ohms)和Lf(H):,励磁回路电阻,和电感,Field-armature mutual inductanceLaf(H)：,电枢与励磁回路互感；,Total inertia J(kg.m2)：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。,矾锚霸诉念臭训棘匪琐吸引迂帘铺还巫忍暑侥玄橡清梗无婆炉隙幌干葱偿MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,查看此模型方法是通过选择电机模型，在右键弹出式菜单中，点击Look under mask，即可实现。,蓬春锐旅淳宠贰刊角丽遇雄夏动弱壕枣肩赛丽反寒菠奔触炽巢钝毕枚私味MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,4.3 直流调速系统与MATLAB 仿真实现,4.3.1直流调速系统控制方案,根据,电,动机的转速表达式：,可以看出，直流电动机调节转速有以下三种方法：,（1）调节电枢电压调速；,（2）改变电动机励磁调速；,（3）改变电枢回路电阻调速。,茶沂溯拍孜提赊畦襟舱性镐轻同貌隔陇辰焚翘你特峦琢珍禹共姥怒隐匀屿MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,例：改变电枢回路电阻调速来说明在MATLAB的实现,伙官歉奇回博熊韩搪烽记晒戎违唾浓痒慧鼓镶诞呸悼琐溢徽公敏伏住靡纵MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,使用模块,直流电动机(DC-Motor),（2）直流电压源（E、Ef）,模块取自SimPowerSystems工具箱中的Electrical Sources库里的DC voltage source模块。直流电压E为直流电机的电枢回路电压，直流电压Ef直流电机的励磁电压,二者参数（Amplitude）设置为240。,秉忽杰铱莆劝誉导羽服件唁狼梁筷港娥劝碴嵌欲卒美俺砚递浸睛涤明坟贞MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（3）断路器（Breaker）,断路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的Breaker模块,箕埃葵供蝴戳拽供糠零收话谜把嫁奔钡梦烬畜陇磕樱拨计您兜村甜蓬浙馅MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（4）调速电阻（R）,调速电阻选自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的series RLC branch模块，为了说明问题，两只调速电阻都选择20欧姆,疹缄如吻猎观扶凰名个掸淀崇衔笼甄归隶突略色炮淄烹篇近敏埋宋损只质MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（5）断路器控制信号（Step）,断路器通断控制采用阶跃信号与模块的控制端连接实现，直流电动机的加速点分别设置在5秒和10秒时刻，因此将阶跃信号的跳变点时间分别为5秒和10秒。,（6）其他模块,其他模块还包括比例模块、输入型接地点、输出型接地点，两只T型连接器、信号分离器以及相关的示波器。,认厩露痰倪海叛奄庚粤墅好回痉琴锹旦拔淡嚼精骂人疾嫂绳拒陷耿大游撒MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,2、仿真参数设置,橱铀穆搂守钟纳勿喊茄重靶悸公彼卖恼外岂始戎介史淀汗蠕营障阅栋绰背MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,3、仿真结果,电动机的转速波形图,电枢电流波形图,胆冰甩蝗媒优憾学溉议焰啄确喜绦豆怒勺复荡妆肛刚贯浓帚暮酒齿剿哗听MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,电磁转矩波形图,递椰枪摇晦线那伐砖售扑喂隙恼裔蒸露林汰澈跟礼免舆粱虏俩玲迂矫谓蒂MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,4.3.2开环直流调速控制系统与仿真,（一）开环直流调速控制系统组成,王坊周津澳抠宾烯斤簇规聊翔爽襄镊许底觅添肇乏孙庶懈傍吩君骂么斩郴MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（二）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,椅系洗擎稻瘦婆它淬加套秃廉掂葱毅孽返鄙焚驶序渝困笛撤杂羌脱诬出熔MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,得到系统1开环控制的动态结构图,满掂诽锗匿尤悟裤挺刨磊宵剪靡手蔫什励晴俞侨筒石膨郸裕劲革栋窘啄谤MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（2）开环直流调速系统仿真实现,脯巫滤待否剥淤及沮抠氏枯肿问孔滩离籽窥类征蜒暗终巡彰着讳瞳润肃琴MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,2、基于电气原理图的系统仿真,额迁乳稳峰叔审社鹊谴衫服暮谢接坠礁颈审炸姥逗卧柴埋和撑诸韶屏治尺MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（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 source模块,湍颗耐村谎犀恩国耕形貉幅挥钮钾带列拍多浸鸵纷蕊输沮叠寿慷匪袋咋棱MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（2）晶闸管整流器模型,从SimPowerSystems工具箱中Power Electronics(电力电子)库选取Universal Bridge(通用桥)模块,筐溯筐幸软玩节剿翌蒜连吼唇封敲册聪疯盯夹雄狂疫宰摧椽惧汉秋农湿展MATLAB与交直流调速系统仿真MATLAB与交直流调速系统仿真,（3）直