1、雙閉環直流調速系統仿真利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統模塊庫(SimPowerSystems)進行系統仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統的模型，并通過SIMULINK環境中的菜單直接啟動系統的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來。掌握了強大的SIMULINK工具后，會大大增強用戶系統仿真的能力。在教材2.32.4節中，對工程實踐中用得最多的典型型系統和典型II型系統的設計方法進行了詳細的分析，在此基礎上，利用SIMULINK軟件仿真能對調節器的參數進行更為方便的調整，可以更為直觀地得到系統仿真的結果，從而加深對工程設計方法的理解。下面就以例題2

2、1，22設計的轉速、電流反饋控制的直流調速系統為例，學習SIMULINK軟件的運動控制系統仿真方法。1仿真模型的建立進入MATLAB，單擊MATLAB命令窗口工具欄中的SIMULINK圖標，或直接鍵入SIMULINK命令，打開SIMULINK模塊瀏覽器窗口，如圖2-52所示。由于版本的不同，各個版本的模塊瀏覽器的表示形式略有不同，但不影響基本功能的使用。圖2-52 SIMULINK模塊瀏覽器窗口(1)打開模型編輯窗口：通過單擊SIMULINK工具欄中新模型的圖標或選擇FileNewModel菜單項實現。(2)復制相關模塊：雙擊所需子模塊庫圖標，則可打開它，以鼠標左鍵選中所需的子模塊，拖入模型編

3、輯窗口。在本例中，需要打開SimPowerSystems模塊庫，從Electrical Source組選中AC Voltage Source和 DC Voltage Source模塊拖入模型編輯窗口，從Elements組選中Series RLC Branch和 Three-Phase Transfomer模塊拖入模型編輯窗口，從Machines組選中DC Machine模塊拖入模型編輯窗口，從Power Electronics組選中Universal Bridge模塊拖入模型編輯窗口，從Measurements組選中Voltage Measurement模塊拖入模型編輯窗口，從Connecto

4、rs組選中Ground和 T Connector模塊拖入模型編輯窗口需要從Simulink模塊庫中把Source組中的Step模塊拖入模型編輯窗口；把Math組中的Sum和Gain模塊拖入模型編輯窗口；把Continuous組中的Transfer Fcn模塊拖入模型編輯窗口；把Sinks組中的Scope模塊拖入模型編輯窗口；把Signal Rounting組中的Demux模塊拖入模型編輯窗口；此外，我們還需要ASR、ACR和Pulse Generator三個子系統模塊。至此，我們已經把轉速電流雙閉環直流調速系統的仿真結構框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口。如圖2-53所示。圖2-53模型編輯窗

5、口 (3)修改模塊參數：雙擊模塊圖案，則出現關于該圖案的對話框，通過修改對話框內容來設定模塊的參數。在本例中，雙擊加法器模塊Sum，打開如圖2-54所示的對話框，在List of Signs欄目描述加法器三路輸入的符號，其中|表示該路沒有信號，所以用|+-取代原來的符號，得到動態結構框圖中所需的減法器模塊了。圖2-54加法器模塊對話框雙擊傳遞函數模塊（Transfer Fcn），則將打開如圖2-55所示的對話框，只需在其分子Numerator和分母Denominator欄目分別填寫系統的分子多項式和分母多項式系數，例如0.002s+1是用向量0.002 1來表示的。在這里我們用它可以構建轉速、

6、電流反饋濾波器和給定濾波器。圖2-55傳遞函數模塊對話框雙擊階躍輸入模塊(Step)可以把階躍時刻(Step time)參數從默認的1改到0，把階躍值(Final value) 從默認的1改到10。圖2-56階躍輸入模塊對話框雙擊交流電壓源(AC Voltage Source)得到下圖2-57，修改峰值（Peak amplitude）默認的參數100為200*sqrt(2)，修改頻率（Frequency）默認參數為50。為了形成三相交流電源，三個AC Voltage Source的Phase項依次填入0、-120、-240，分別對應uA、uB、uC。（標注uA、uB、uC，可以通過單擊AC V

7、oltage Source進行修改。）圖2-57交流電壓源模塊對話框雙擊直流電壓源模塊（DC Voltage Source）得到下圖2-58，修改Amplitude即改變了電壓源的幅值。這里此模塊用作直流電動機的勵磁電源，幅值為220V。圖2-58直流電壓源模塊對話框雙擊三相變壓器模塊出現下圖2-59對話框。修改額定功率和頻率項（Nominal power and frequency）為2e6，50。對于提供電機電源的變壓器，選擇其ABC原邊繞組聯結（Winding 1(ABC) connection）為Delta(D11)（三角形，電壓相位領先Y聯結30°），修改繞組參數（Wind

8、ing parameters）為380（相電壓 V1 Ph-Ph）；選擇abc副邊繞組聯結（Winding 2 (abc) connection）為Y(星形，無中線)，修改繞組參數(Winding parameters)為213（相電壓 V2 Ph-Ph）。對于提供同步脈沖電源的變壓器，選擇其ABC原邊繞組聯結為Delta(D11)，修改繞組參數為380；選擇abc副邊繞組聯結為Y，修改繞組參數為15；修改其磁阻（Rm）為500，勵磁電感（Lm）為500。圖2-59變壓器模塊對話框三相橋式可控整流電路模塊（6-pulse thyristor bridge）的A、B、C三個輸入端連接三相電源或三

9、相變壓器的二次側；它的兩個輸出端K和A，則輸出整流后的直流電壓，其中K端為“+”，A端為“-”。模型的脈沖輸入端pulse用于接入晶閘管的觸發信號。雙擊模塊彈出對話框圖2-60。四個參數分別是導通電阻（Thyristor on-state resitance）、導通電感(Thyristor on-state inductance)、緩沖電阻(Snubber resistance)、緩沖電容(Snubber capacitance)。圖2-60三相可控整流電路模塊對話框直流電機模塊（DC Machine），F+和F-是直流電機勵磁繞組的連接端，A+和A-是電機電樞繞組的聯結端，TL是電機負載轉矩

10、的輸入端。m端用于輸出電機的內部變量和狀態，在該端可以輸出電機轉速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩四項參數。雙擊模塊打開對話框圖2-61。修改參數電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為0.210.0021，勵磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為146.70，勵磁和電樞互感（Field-armature mutual inductance）為0.84，轉動慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數（Viscous friction coefficient）為0.01，庫侖摩擦轉矩（Cou

11、lomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。圖2-61直流電機模塊對話框雙擊Gain可修改增益。圖2-62增益模塊對話框雙擊Series RLC Branch,可依次修改電阻、電感和電容。圖2-63RLC串聯電路模塊對話框雙擊示波器出現圖2-64，點擊，即可打開圖2-65(a)所示對話框。改變Number of axes就可改變接入信號的個數。還可以右擊選擇Axes proporties得到圖2-65(b)，通過修改Title來設置所顯示參量的名字。圖2-64示波器模塊對話框圖2-65(a)示波器參數修改對話框圖2-65(b)示波器坐標

12、軸參數修改對話框雙擊信號分解模塊(Demux)，通過修改(Number of outputs)可以改變輸出信號的個數。圖2-66分解模塊對話框ASR、ACR其實是由放大器、積分器、加法器、限幅器組成的兩個結構完全一樣的控制環節。它們用了來自Math組的Gain模塊來仿真比例器，用Continuous組的Integrator模塊和Gain模塊的串接來仿真積分器，兩者通過加法器模塊Sum構成了PI調節器。經過子系統封裝后構成一個模塊。我們可以通過Edit菜單選項Look under Mask查看其內部結構。圖2-67ASR、ACR模塊雙擊ASR或ACR模塊填寫PI調節器所需要的放大系數、微分時間常

13、數和上、下輸出(積分)限幅值，本例的輸出(積分)飽和值10和-10。其原因是轉速調節器是工作在限幅飽和狀態，故要在仿真模型中真實地反映出來。如下圖2-68(a)所示：如圖2-68(a)ASR、ACR模塊參數修改對話框Pulse Generator的機構如下圖2-68(b)所示，主要是一個同步6脈沖觸發器，由子系統（如圖2-68(c)所示）構成三相同步電壓源，由Fcn將ACR輸出轉換成脈沖控制角。而輸入端Block 用于控制觸發脈沖的輸出，在該端置“0”，則有脈沖輸出；如果設置為“1”，則沒有脈沖輸出，整流器也不會工作。圖2-68(b)圖2-68(c)完成了對模塊參數的調整后就可以 (4)模塊連

14、接：以鼠標左鍵點擊起點模塊輸出端，拖動鼠標致終點模塊輸入端處，則在兩模塊間產生“”線。按照圖2-53的情況，反饋回路中的模塊的輸入端和輸出端的方向位置不妥，應該把它水平反轉。單擊該模塊，選取FormatRotate Block菜單項可使模塊旋轉90°；選取FormatFlip Block菜單項可使模塊翻轉。當一個信號要分送到不同模塊的多個輸入端時，需要繪制分支線，通常可把鼠標移到期望的分支線的起點處，按下鼠標的右鍵，看到光標變為十字后，拖動鼠標直至分支線的終點處，釋放鼠標按鈕，就完成了分支線的繪制。此外，選中某一模塊后，當鼠標點中模塊四角的黑方塊進行拖曳，可以改變模塊圖形的大小。使用

15、者可以根據實際情況操作，使得界面更清楚，更美觀。模塊連接完成了后的仿真模型如圖2-70所示。圖2-70電流環的仿真模型2電流閉環控制系統仿真(1)仿真過程的啟動：單擊啟動仿真工具條的按鈕 或選擇SimulationStart菜單項，則可啟動仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結果，如圖2-71所示。圖2-71 直接仿真結果(2)仿真參數的設置：從圖2-71顯示的仿真結果來看，無法對階躍給定響應的過渡過程有一個清晰的了解，需要對示波器顯示格式作一個修改，對示波器的默認值逐一改動。改動的方法有多種，其中一種方法是選中圖2-70 Simulink模型窗口的SimulationSimulation

16、 parameters菜單項，打開如圖5-72所示的對話框，對仿真控制參數進行設置。圖2-72 Simulink仿真控制參數對話框其中的Start time和Stop time欄目分別允許填寫仿真的起始時間和結束時間，把默認的結束時間從10.0秒修改為0.35秒。再一次地啟動仿真過程，然后啟動Scope工具條中的第6個按鈕自動刻度(Autoscale),它會把當前窗中信號的最大最小值為縱坐標的上下限，從而得到了圖2-73所示的清晰圖形。圖2-73 修改控制參數后的仿真結果(3)調節器參數的調整：利用MATLAB下的SIMULINK軟件進行系統仿真是十分簡單和直觀的，在圖2-70所示的電流環的仿

17、真模型中，只要調整PI調節器的參數，可以很快地得到電流環的其它階躍響應曲線。例如：以KT=0.25的關系式按典型型系統的設計方法得到了PI調節器的傳遞函數為，很快地得到了電流環的階躍響應的仿真結果如圖2-74所示，無超調，但上升時間長；以KT=1.0的關系式得到了PI調節器的傳遞函數為，同樣得到了電流環的階躍響應的仿真結果如圖2-75所示，超調大，但上升時間短。圖2-73圖2-75反映了PI調節器的參數對系統品質的影響趨勢，在工程設計中，可以根據工藝的要求，直接修改PI調節器的參數，找到一個在超調量和動態響應快慢上都較滿意的電流環調節器。圖2-74無超調的仿真結果圖2-75超調量較大的仿真結果3轉速環的仿真設計（1）建立轉速環的仿真模型按照前述的電流環的仿真模型的建立方法，得到轉速環的仿真模型，如圖2-76所示。圖2-76 轉速環的仿真模型（2）轉速環仿真模型的運行設置TL為啟動負載；TLStep為擾動負載，在運行1秒后加入；得到下圖2-77。圖2-