基于SIMULINK 的直流調速自動控制系統的仿真實驗

彭 燕

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

直流調速系統是電力拖動課程［1］的重要內容，系統實驗在教學中占有舉足輕重的作用．由于實驗課學時不足、實驗設備臺數有限及實驗危險系數較高等原因，致使學生動手機會減少，實驗臺使用時間較長存在老化、連線接觸不良等問題，使實驗結果與理論知識不符或存在較大差異．因此，將工具軟件應用到該課程實驗教學中就成為重要內容．

隨著仿真技術的發展，MATLAB作為強大的數學處理軟件，逐步滲透到各個領域，使以傳遞函數為基礎的SIMULINK環境成為計算機仿真的重要工具．本文應用SIMULINK組件中的電力系統工具箱(Sim-PowerSystems)進行直流調速系統仿真［2－3］實驗設計，使學生通過仿真能夠更好地理解和掌握直流調速自動控制系統的結構和設計方法，提高學生對電力拖動課程的興趣．

1 直流電動機的調速方法

直流電機具有良好的啟動、制動性能，宜于在寬廣范圍內平滑調速，是電力拖動系統的主要執行元件．電樞控制式直流電動機的原理圖見圖1．

分析圖1可得，直流電動機轉速與電動機其他參數的關系為其中:n為電動機轉速(r/min)，U為電樞電壓(V)，Ia為電樞電流(A)，Ra為電樞回路總電阻，Ke為電動機的電動勢常數，Φ為勵磁磁通(Wb)．

由式(1)可知，直流電動機調速方法有三種:一是改變電樞電壓調速;二是改變勵磁磁通;三是改變接于電樞回路中的附加電阻．第三種調速方法損耗較大，機械特性軟，故很少使用．實際中常用的調速方法有兩種:一是用晶閘管構成可控整流器向電動機供電，稱為晶閘管—電動機調速系統，簡稱V—M直流調速系統，目前國內使用最廣泛;二是采用直流斬波器或脈寬調制變換器實現調速．在本次實驗仿真研究中，選擇對方法一進行研究．

2 直流調速系統仿真實驗

2．1 V—M開環調速系統

圖2中VT是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置GT的控制電壓Ur來移動觸發脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實現平滑調速．L是平波電抗器，限制電流脈動并使電樞電流連續．

采用SIMULINK中的SimPowerSystems工具箱中的模塊對開環系統仿真，取晶閘管整流橋Universal Bridge作為三相整流橋電路VT，取同步6脈沖Synchronized 6-Pulse Generator模塊作為同步脈沖觸發器GT，三個AC Voltage Source模塊組成三相對稱電源，仿真模型見圖3．仿真模型建立后，需要進行仿真參數設置，仿真算法選擇ode23tb，算法的選擇可以通過仿真實踐進行比較確定，在調速系統中，仿真算法較多采用ode23tb．仿真時間根據需要設定，本次仿真Start為0，Stop為5 s．仿真結果通過Scope模塊或OUT來顯示，本實驗采用Scope．

當模型和參數設置好后，點擊Start命令系統開始仿真，仿真結果通過Scope顯示窗口輸出，從仿真結果看，轉速很快上升，當有擾動出現時，由于開環無法起調節作用，轉速下降不會回到原來的恒值．

2．2 V—M單閉環無靜差轉速負反饋調速系統

由于開環系統受到外部擾動時，不能通過自身調節恢復原來的平衡狀態，需要對系統做進一步改進．單閉環速度負反饋調速系統通過反饋調節能夠實現速度恒定，當有外部擾動出現時由于負反饋存在，使速度可靠調節恢復到原來恒定值．與開環V—M系統比較增加了速度閉環控制，增加了測速裝置、速度比較器及速度調節器［4］．轉速負反饋調速系統SIMULINK模型由給定信號、速度調節器、同步脈沖觸發器、三相整流橋、平波電抗器、直流電動機、速度反饋等環節組成，仿真模型見圖4．仿真結果可以表明單閉環無靜差調速系統能夠很好地實現自動控制系統任務，系統在3 s處輸入轉矩從50躍變到100時，PI調節器根據其自身的調節參數能夠很快地將轉速恢復成原始恒定值，擾動對系統的影響時間較短，系統能夠很快恢復穩定．

圖4 單閉環無靜差速度負反饋系統仿真模型

2．3 轉速、電流雙閉環直流調速系統

采用PI調節器的轉速負反饋直流調速系統可以保證在系統穩定的前提下實現轉速無靜差．但是如果系統對動態性能要求較高，單閉環系統就難以實現．轉速、電流雙閉環調節系統設置轉速調節器ASR和電流調節器ACR［5］分別對轉速和電流進行調節，二者之間實行嵌套(或稱串級)連接，能夠有效地改進系統的動態性能．系統中還包括電流濾波、轉速濾波和兩個控制環給定信號的濾波環節，這主要是因為電流檢測信號中常含有交流分量需要低通濾波器，轉速反饋信號中含有電動機的換向波紋也需要濾波器．為給定信號通道加入一個時間常數與濾波環節相同的慣性環節，讓給定信號與反饋信號經過同樣的延滯，使二者時間上配合．仿真模型見圖5，根據工程上參數設定方法對控制系統中各參數進行定量設置．仿真時，當給定信號為10 V時，在電流調節器作用下電動機電樞電流實現最大值，使電動機以最優時間準則開始上升，在大約0．25 s左右時轉速超調，電流很快下降，在1．7 s時達到穩定，穩定轉速為1000 r/min．

3 結語

仿真的實質是采用軟件手段來驗證實際電力拖動系統的預期結果，三個仿真實驗證明直流開環、單閉環無靜差和雙閉環系統能夠按照理論要求完成直流平滑調速，防止干擾和快速啟動的目的．通過實驗及結果對比，使學生能夠理解并控制系統各個環節及調節器的作用，培養學生利用理論知識設計實際系統的能力，避免由于實驗條件和接線問題帶來的實驗結果與理論相差較遠的現象，以此來加強學生對控制系統理論及電力拖動理論的理解，提高學生學習興趣．

圖5 雙閉環直流調速系統仿真模型

［1］陳伯時．電力拖動自動控制系統:運動控制系統［M］．第3版．北京:機械工業出版社，2007．

［2］顧春雷，陳中．電力拖動自動控制系統與MATLAB仿真［M］．北京:清華大學出版社，2011．

［3］周志剛，敖章洪．基于MATLAB/SIMULINK的電力電子實驗仿真［J］．赤峰學院學報(自然科學版)，2011，27(9):204－205．

［4］鈕王杰，張斌超，劉春艷．基于MATLAB/SIMULINK轉速閉環直流調速控制系統的仿真研究［J］．大同大學學報(自然科學版)，2011，27(5):33 －36．

［5］萬里光．基于MATLAB的雙閉環直流電機調速系統的仿真［J］．船電技術，2011，31(2):30－32．