基于Simulink的直流调速系统仿真.doc

基于Simulink的直流调速系统仿真研究董璇都洪基(南京理工大学动力工程学院南京210094)摘要：以控制系统的传递函数为基础使用MATLAB的Simulink工具箱对直流调速系统进行了仿真研究。面向控制系统电气原理结构图、结合SimPowerSystems工具箱对开环、单闭环电压负反馈、转速电流双闭环（DLM）以及PWM调速系统进行了仿真并作出分析和比较。对双闭环系统模型进行了改进采用GA工具寻求控制参数最优解。仿真结果表明优化后的参数能够更有效地提高调速控制系统的性能指标。关键词：直流调速系统；仿真；SimPowerSystems；GA0引言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的稳态、动态性能。直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能在高性能的拖动技术领域中相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。为了深入地分析控制原理在直流调速系统中的应用本文对从开环系统到脉宽调制（PWM）系统等四种直流调速系统进行了仿真对比实验并作出了分析比较。传统的工程设计方法参数并未优化控制系统性能指标与参数的关系往往是非线形多峰函数函数复杂甚至未可知因此优化参数往往不易用一般的数学分析方法来获得。近年来遗传算法(GA)做为求解优化问题的有效手段而开始被引入控制系统的设计中。GA采用非数值计算方法和随机进化策略无需梯度信息能有效攻克十分困难的优化问题其处理问题更具有灵活性、适应性、鲁棒性、全局性。将GA引入DLM参数设计中也取得了较好的效果。[1]1四种调速系统的仿真比较[2]1.1开环系统开环系统的仿真模型如图1所示由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。其中同步脉冲触发器为同步电源与六脉冲触发器封装在一起的子模块其模型如图2所示。仿真算法为可变步长ode23s给定信号50。仿真结果如图3所示。励磁电压为100伏。从图3中可以图1开环系统仿真模型看出开环系统的调节速度比较慢转速在第5秒才接近稳态值。转速的稳态值较大。由电动机的转速和励磁磁通成反比易知调节励磁磁通可以改变直流电动机的转速特性。图4即为将励磁电压增大到220V时的转速、电流曲线。观察波形可见转速的稳态值随着励磁电压的增大而明显降低且调节速度明显加快1秒以内转速就达到了稳态值。图2同步脉冲触发器和封装后的子系统模块图3开环系统转速、电流曲线图4励磁电压增大后的曲线电压负反馈单闭环系统单闭环调速系统有多种反馈方式如电压负反馈、转速负反馈等。电压负反馈在组成和实现上都比较简单实用本文即采用电压负反馈调速系统。该系统由给定信号、电压调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、电压反馈环节等部分组成。其仿真模型如图5所示。电压调节器选用PI调节器取自电力系统模块库下的附1加离散控制模块组。其参数设置为Kp=10Ki=400上下限为[130-130]电压反馈系数为0.05。仿真算法采用ode23s。仿真结果如图6所示。闭环调速系统由于增加了反馈环节其机械特性较开环系统硬得多负载扰动引起的稳态速降减小为开环系统的1/（1+K）。图7即为电压负反馈调速系统在2.7秒突加负载（给定信号加倍）时的转速降落曲线从图上可以看出相比于图1的开环调速系统电压负反馈调速系统的稳态速降要小的多转速基本保持不变。图9转速、电流双闭环系统的电压、转速、电流曲线双闭环系统有两个控制器——转速控制器ASR和电流控制器ACR。这两个调节器均采用PI控制器参数设置分别为：ACR:Kcp=2Kci=100上下限幅值为[130-130]ASR:Ksp=1.2Ksi=10上下限幅值为[40-40]限幅器的上下限设置为：[50-50]。图5电压负反馈调速系统的仿真模型仿真结果如图9所示。从仿真结果可以看到启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压ASR的输入很大其输出很快达到限幅值电流上升也很快接近其峰值。第二阶段ASR饱和转速环相当于开环状态系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统电流基本上保持不变拖动系统恒加速转速线性增长。第三阶段当转图6电压负反馈调速系统图7突加负载时的波形速达到给定值后转速调节器的给定与反馈电压平恒输入偏差为0但是由于积分的作用其输出1.3双闭环调速系统还是很大所以出现超调。转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型如转速超调之后ASR输入端出现负偏差电压图8。主电路的建模和模型参数设置与单闭环直流使它推出了饱和状态进入线性调节阶段使速度调速系统绝大部分相同只是通过仿真实验将平波保持恒定仿