1、題目(中) 直流電機(jī)雙閉環(huán)控制調(diào)速 姓名與學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 年級(jí)與專業(yè) 所在學(xué)院 目錄：一、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?二、雙閉環(huán)調(diào)速控制內(nèi)容3三、主要儀器設(shè)備和仿真平臺(tái)3四、仿真建模步驟及分析41直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速各模塊功能分析42.仿真結(jié)果分析（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩改變）143.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響204.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真225.加入位置閉環(huán)后的仿真236.速度無超調(diào)仿真25七、實(shí)驗(yàn)心得26一、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、 加深對(duì)直流電機(jī)雙閉環(huán)PWM調(diào)速模型的理解。2、 學(xué)會(huì)利用MATLAB中的SIMULINK工具進(jìn)行建模仿真。3、 掌握PI調(diào)節(jié)器的使用，分析其參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)

2、行性能的影響。二、雙閉環(huán)調(diào)速控制內(nèi)容必做：1、描述Chopper-Fed DC Motor Drive中每個(gè)模塊的功能。2、仿真結(jié)果分析：包括轉(zhuǎn)速改變、轉(zhuǎn)矩改變下電機(jī)運(yùn)行性能，并解釋相應(yīng)現(xiàn)象。3、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響。4、電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后，對(duì)電機(jī)運(yùn)行調(diào)速結(jié)果的影響。選做：5、加入位置閉環(huán)6、 速度無超調(diào)三、主要儀器設(shè)備和仿真平臺(tái)1、 MATLAB R2014b2、 Microsoft Officials Word 2016四、仿真建模步驟及分析1直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速各模塊功能分析參考Matlab自帶的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速的SIMULINK仿真模型：demo/simuli

3、nk/simpowersystem/Power Electronics Models/Chopper-Fed DC Motor Drive1.1 轉(zhuǎn)速給定模塊轉(zhuǎn)速給定有兩種方式：一為恒定轉(zhuǎn)速給定，二是階躍的給定。兩種方式的選擇通過單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)。恒轉(zhuǎn)速給定可由以下窗口修改設(shè)置：階躍轉(zhuǎn)速給定可由以下窗口修改設(shè)置：Step Time為從初始狀態(tài)到階躍完成所需的時(shí)間，Initial Value為初始轉(zhuǎn)速，F(xiàn)inal Value為階躍后最終轉(zhuǎn)速，Sample Time為采樣時(shí)間間隔。從圖中可得出，當(dāng)前轉(zhuǎn)速給定為一個(gè)從120rad/s到160rad/s的階躍過程，直到階躍過程結(jié)束耗時(shí)0.4s。1.2轉(zhuǎn)

4、矩給定模塊轉(zhuǎn)矩給定也有兩種方式：一為恒定轉(zhuǎn)矩給定，二是階躍轉(zhuǎn)矩的給定。兩種方式的選擇通過單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)。恒轉(zhuǎn)矩給定可由以下窗口修改設(shè)置：階躍轉(zhuǎn)矩給定可由以下窗口修改設(shè)置：Step Time為從初始狀態(tài)到階躍完成所需的時(shí)間，Initial Value為初始轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)inal Value為階躍后最終轉(zhuǎn)矩，Sample Time為采樣時(shí)間間隔。即從圖中可得出，當(dāng)前轉(zhuǎn)矩給定為一個(gè)從5 Nm到25 Nm的階躍過程，直到階躍過程結(jié)束耗時(shí)1.2s。1.3速度控制器Speed Controller速度控制器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：兩個(gè)輸入量分別為由轉(zhuǎn)速給定模塊提供作為轉(zhuǎn)速參考值的wref和當(dāng)前速度實(shí)際值wm，得出差值

5、通過比例積分環(huán)節(jié)，再通過Saturation限幅環(huán)節(jié)，獲得輸出電流值Iref。可知該環(huán)節(jié)為PI控制環(huán)節(jié)，其內(nèi)部參數(shù)主要有比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp和積分調(diào)節(jié)系數(shù)Ki。可通過如下窗口修改設(shè)置：由圖中可觀察得該P(yáng)I調(diào)節(jié)系統(tǒng)的系數(shù)Kp=1.6，Ki=16，Current Limit為輸出電流最大限定值，設(shè)置為30A。1.4 電流控制器Current Controller其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：可得知該電流控制系統(tǒng)為滯環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其兩個(gè)輸入量分別為由電流給定模塊提供參考電流值Iref和當(dāng)前實(shí)際電流反饋值Ia，經(jīng)過滯環(huán)調(diào)節(jié)，輸出GTO的通斷開關(guān)信號(hào)。滯環(huán)模塊的參數(shù)設(shè)置如下，可設(shè)置滯環(huán)的開關(guān)時(shí)間點(diǎn)和開關(guān)時(shí)各自的輸出值：電流

6、控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置如下圖，當(dāng)Hysteresis Band滯環(huán)電流兩個(gè)輸入量差別超過正負(fù)2A時(shí)，輸出GTO關(guān)或開信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)電路。1.5 PWM波生成模塊其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：Powersysdomain模塊是一個(gè)P-code文件，具體里面的內(nèi)容是看不到的，存在于matlab文件夾下。Powersysdomain為電機(jī)三相繞組的電力電子電路，外部三相電路A、B、C只有接入這個(gè)電路才能產(chǎn)生三相電流，電機(jī)其他模塊則是根據(jù)測(cè)到的三相電流進(jìn)行變換和控制，GTO存在于該模塊當(dāng)中。Model(Continuous)模塊的具體結(jié)構(gòu)如下：由圖中可知，GTO模塊以一個(gè)280V直流電壓作為該模塊輸入陽(yáng)極電壓信號(hào)a，滯

7、環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出信號(hào)作為該模塊的門極觸發(fā)信號(hào)g，當(dāng)輸入信號(hào)g為正時(shí)，輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)g為負(fù)時(shí)，輸出低電平。該模塊內(nèi)部參數(shù)設(shè)置如下圖：Resistance Ron為晶閘管元件內(nèi)電阻，Inductance Lon為晶閘管元件內(nèi)電感 Lon(H)，F(xiàn)orward voltage Vf為晶閘管元件的正向管壓降，Current 10% fall time為電流下降到10%的時(shí)間， Current tail time為電流拖尾時(shí)間，Initial current Ic為初始電流，Snubber resistance Rs為緩沖電阻，Snubber capacitance Cs 為緩沖電容。1.6 直流

8、電機(jī)模塊由圖可知該直流電機(jī)為一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)，勵(lì)磁電壓為240V的直流電壓源。由轉(zhuǎn)矩給定模塊給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)，同時(shí)輸出當(dāng)前電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)。電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)可由如下窗口設(shè)置：由圖可得，可由Armature Resistance And Inductance設(shè)置電樞繞組電阻和電感，F(xiàn)ield Resistance And Inductance設(shè)置勵(lì)磁繞組的電阻和電感，F(xiàn)ield-Armature Mutual Inductance Laf設(shè)置勵(lì)磁繞組和電樞繞組的互感， Total Inertia J設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Viscous Friction Coefficient Bm設(shè)置粘滯摩擦系數(shù)，C

9、oulomb Friction Torque Tf設(shè)置庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩，Initial Speed為初始角速度。則可以讀取，當(dāng)前電樞繞組的Ra=0.5ohms，La=0.01H，當(dāng)前勵(lì)磁繞組的Rf=240ohms，Lf=120H，勵(lì)磁繞組和電樞繞組的互感Laf=1.23H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.05Kg.m2等參數(shù)。1.7 速度和電流反饋模塊其內(nèi)部變量如下圖：由上圖可知，由直流電機(jī)系統(tǒng)獲得的可選擇的反饋輸入量有轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩，我們所選擇的輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流。1.8 反饋電流濾波模塊其內(nèi)部參數(shù)設(shè)置如下圖： Numerator coefficients為分子，Denominator

10、 coefficients為分母，以此來構(gòu)成過濾模塊的傳遞函數(shù)，則此時(shí)的傳遞函數(shù)應(yīng)為1/(s*10(-5)+1)。1.8 示波器模塊示波器觀察的輸入信號(hào)為是GTO的輸出PWM電壓信號(hào)，電機(jī)的電樞電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速。2.仿真結(jié)果分析（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩改變）2.1 默認(rèn)參數(shù)下進(jìn)行仿真(1) 恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩給定如上圖中，從上到下依次是GTO輸出PWM波形、電樞電流波形、電機(jī)轉(zhuǎn)速波形。則可觀察到，在電機(jī)啟動(dòng)后但轉(zhuǎn)速未達(dá)到120rad/s的設(shè)定值之前，電樞電流一直處于較大的狀態(tài)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升。直到轉(zhuǎn)速達(dá)到120rad/s后，由于電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)均存在延遲現(xiàn)象，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)超過120rad/s，

11、之后電樞電流下降到一個(gè)較低的穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)速也達(dá)到設(shè)定值。在此期間，由于電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)持續(xù)工作，GTO處于不斷開通、關(guān)斷的狀態(tài)。(2) 階躍轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩給定對(duì)比(1)情況下的波形，在電機(jī)達(dá)到120rad/s轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再給一個(gè)階躍信號(hào)參考轉(zhuǎn)速達(dá)到160rad/s，則為了保證轉(zhuǎn)速的上升，電樞電流又重新提高到較大值，該調(diào)節(jié)過程與前相近，直到轉(zhuǎn)速重新在160rad/s附近平衡后，電樞電流降低到較小值。(3) 恒轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩給定與(1)中情況對(duì)比，即在轉(zhuǎn)矩發(fā)生階躍后，由于負(fù)載增大電機(jī)轉(zhuǎn)速受影響下降，之后在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下回復(fù)到120rad/s的平衡狀態(tài)，但是由于負(fù)載增加，電樞電流比原本狀態(tài)下

12、的電樞平衡電流大。(4) 階躍轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩給定對(duì)比如上(1)、(2)、(3)狀況，該狀態(tài)下的波形近似為(2)、(3)情況時(shí)的復(fù)合。同時(shí)，觀察以上四種狀況下的電樞電流波形和電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，我們可以明顯看到電機(jī)轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)的效果比電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)的效果好許多，在達(dá)到平衡之后，轉(zhuǎn)速波形幾乎沒有波動(dòng)，而電流波形一直在平衡值周圍小幅振蕩。2.2 改變轉(zhuǎn)速給定值后的仿真結(jié)果(1) 修改轉(zhuǎn)速階躍的給定值如下：對(duì)比原狀態(tài)(4)中的波形圖，轉(zhuǎn)速由0升至60rad/s所需的時(shí)間明顯縮短，在發(fā)生轉(zhuǎn)速階躍，由60rad/s階躍至160rad/s，所需的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯增長(zhǎng)。(2) 修改轉(zhuǎn)速階躍的給定值如下：對(duì)比原狀態(tài)(4

13、)中的波形圖，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在120 rad/s后，發(fā)生轉(zhuǎn)速階躍，參考轉(zhuǎn)速增至200rad/s，此時(shí)所需的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯增長(zhǎng)。且當(dāng)轉(zhuǎn)速取得較大時(shí)，在負(fù)載不變的情況下，參考電流值變大，滯環(huán)上下限絕對(duì)值增大，可明顯觀察到電樞電流的滯環(huán)控制效果非常粗糙。2.3 改變轉(zhuǎn)矩給定值的仿真結(jié)果修改轉(zhuǎn)矩階躍的給定值如下：改變轉(zhuǎn)矩階躍的給定值，使其從5階躍到35，觀察如上波形，可看到在2.5s時(shí)轉(zhuǎn)速還未調(diào)節(jié)到給定120rad/s，仍處于下降階段，即轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)至給定值的時(shí)間明顯變長(zhǎng)。同時(shí)，由于負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)速一樣時(shí)，在電機(jī)平穩(wěn)后，隨著轉(zhuǎn)矩的增大，電樞電流也明顯增大。3.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響(1) 改變比

14、例調(diào)節(jié)參數(shù)Kp，將其由1.6增大至16對(duì)比原始狀態(tài)(4)的波形，可觀察得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度明顯變快，電樞電流的波形變化近似于方波，轉(zhuǎn)速達(dá)到參考值的調(diào)整時(shí)間明顯縮短，且達(dá)到穩(wěn)定后波形平直，穩(wěn)態(tài)誤差減小。為了提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)，減少系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，可以使Kp增大。但是Kp增大時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度和超調(diào)量也增大。(2) 改變積分調(diào)節(jié)參數(shù)Ki，減小其值由16至8對(duì)比可明顯觀察到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度變慢，轉(zhuǎn)速在階躍發(fā)生后，需要更長(zhǎng)的時(shí)間去調(diào)整到新的平衡值。4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真此時(shí)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器系數(shù)取值如下：對(duì)比初始狀態(tài)(4)的波形圖，則可得知，將電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)器改為PI調(diào)節(jié)器之后

15、，電樞電流的調(diào)節(jié)效果明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到參考值穩(wěn)定后，電樞電流的波動(dòng)范圍較滯環(huán)小了許多，接近一條光滑的曲線。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加理想的效果：5.加入位置閉環(huán)后的仿真為了加入位置閉環(huán)控制，則首先設(shè)定位置給定值為200，然后位置給定值與速度的積分值進(jìn)行比較得到位置的誤差輸入速度控制器，以實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。其實(shí)200本來是速度給定，但是由于與實(shí)際速度的積分做比較所以變成位置給定。仿真結(jié)果如下圖所示時(shí)間為2s時(shí)，可以看到位置有超調(diào)，圖示分別為轉(zhuǎn)速、電流和位置。時(shí)間為10s時(shí)，可以看到實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，但是此時(shí)超調(diào)還是比較大。6.速度無超調(diào)仿真根據(jù)仿真圖調(diào)節(jié)速度控制器PI參數(shù)，當(dāng)參數(shù)取合適的值時(shí)可以得到速度無超調(diào)。速度控制器參數(shù)：電流控制器參數(shù)：仿真示波器顯示：可以看到此時(shí)，速度在誤差允許范圍內(nèi)無超調(diào)。七、實(shí)驗(yàn)心得通過電機(jī)控制大作業(yè)仿真聯(lián)系，對(duì)于Matlab仿真操作更加熟悉，雖然在實(shí)驗(yàn)初期遇到很多軟件問題，但是在討論和實(shí)踐過程中對(duì)于操作熟練度都有提高。在搜尋、求解的過程當(dāng)中，對(duì)Matlab SIMULIN