直流電動機智能調速仿真研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 來，仿真領域的研究重點是放在仿真模型建立這一環節上，即建立準確而快速地仿真模型是至關重要的。而MATLAB提供的動態系統仿真工具SIMULINK，則是眾多仿真軟件中功能最強大、最優秀、最容易使用的一種。在SIMULINK中，對系統進行建模將變得非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此，可以很隨意地改變仿真參數，并且立即可以得到修改后的仿真結果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結果進行分析和可視化。它可以建模與仿真的對象的類型廣泛，可以是機械的、電子的等現實存在的實體，也可以是理想的系統，可仿真的動態系統復雜性可大可小，可以是連續的、離散的或混合類型的。最近幾年，隨著計算機仿真軟件的發展，調速系統的數學建模及其穩態性能和動態性能的仿真分析己成為對電機系統研究的一個重要方面。運用MATLAB中的電力系統模塊庫(Power System Blockset)[可以將電氣傳動控制系統設計所需要的復雜算法和先進控制理論相結合，因此運用MATLAB／SIMULIK來建立準確而有效的調速仿真模型是非常有必要的。運用MATLAB／SIMULINK來建立的調速系統的模型，其通用性強、構造模型簡單、修改參數容易、界面友好、功能強大等優點，適宜于系統動態分析，減少了重復勞動，對分析和設計有較高的實用價值。1．2．2 Simulink模塊Simulink是The MathWorks公司于1990年推出的產品，是在MATLAB環境下建立系統框圖和仿真的模塊庫【211。“Simu”一詞表明它可以用計算機模擬，而“Linl(一詞表明它能進行系統連接，即把一系列模塊連接起來，構成復雜的系統模型。正式由于Simulink的這兩大功能和特色，使它成為仿真領域首選的計算機環境。Simulink環境下可以使用的電力系統仿真模塊庫(Power System Blockset)主要是由加拿大的Hydro Quebec和TECSIM International公司共同開發的，其功能非常強大，可以用于電路、電力電子系統、電機系統、電力傳輸等領域的仿真，提供一種類似電路搭建的方法用于系統模型的繪制。整個Simulink模塊庫是由若干個模塊組構成。在Simulink模塊庫中，包含連續模塊組(Continuous)、離散模塊組(Discrete)、函數與表模塊組(Functionamp。Tables)、數學運算模塊組(Math)、非線性系統模塊(Nonlinear)、信號與系統模塊組(Signalsamp。Systems)、輸出模塊組(Sinks)、輸入源模塊組(Sources)和子系統模塊組(Subsystems)在MATLAB，已經封裝好了電系統模塊庫，在該模塊庫中有很多模塊組，如圖1．1所示，主要有電源(Electrical sources)、元件(Elements)、電力電子(PowerElectronics)、電機系統(Machines)、連接器(Connectors)、測量(Measurements)、演示(Demos)模塊組等，雙擊每一個圖標都可打開一個模塊組。1．電源模塊組電源模塊組包括直流電壓源(DC Voltage source)、交流電壓源(AC Voltagesource)、交流電流源(AC Current source)、受控電壓源(Controlled Voltage source)和受控電流源(Controlled Current source)基本模塊等。電源模塊組中各基本模塊及其圖標如圖1．2所示。2．測量模塊組測量模塊組包括電壓表(Voltage Measurement)、電流表(Current Measurement)、阻抗表(Impedance Measurement)、多用表模塊組(Multimeter)和各種附加的子模塊組等基本模塊。測量模塊組中各基本模塊及其圖標如圖1．3所示。3．元件模塊組元件模塊組包括各種電阻、電容、電感元件，各種變壓器元件，另外還有一個附加的三相元件予模塊組。革個的電阻、電容和電感元件只能通過串聯和并聯的RLC分支以及它們的負載形式來定義。單個元件的參數設置在串聯或并聯分支中是不同的，具體設置見表1．1。元件模塊組中各基本模塊及其圖標如圖1．4所示。4．電力電子模塊組電力電子模塊包括理想開關(Ideal Switch)、二極管(Diode)、晶閘管(Thyristor)、功率MOS場效應管(Mosfet)、絕緣門級晶體管(IGBT)等組成，此外還有2個附加的控制模塊組和一個整流橋。電力電子模塊組中各基本模塊及其圈標如圖l。5所示。5．電動機系統模塊組電動機系統模塊組包括簡單同步電動機(Synchronous Machine)、永磁同步電動機(Permanent Magnet Synchronous Machine)、直流電動機(DC Machine)、異步電動機(Asynchronous Machine)、勵磁系統(Excitation System)、電力系統穩定器(PowerSystem Stabilizer，PSS)和輸出信號測量分配器(Machies Measurement Demax)等模塊。電動機系統模塊組中各基本模塊及其圖標如圖1．6所示。7．附加模塊組圖1．8是附加測量子模塊所包含的模塊圖標。圖1．9是離散型附加控制予模塊組所包含的模塊圖標。以上，我們簿要介紹了MATLAB的Simulink和Power System模塊庫所包含的摸塊內容。第2章開環直流調速系統的仿真使用MATLAB對控制系統進行計算機仿真的主要方法是以控制系統的傳遞函數為基礎，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。本章以開環直流調速系統為研究對象，采用面向電氣原理結構圖的仿真方法，對典型的開環直流調速系統進行仿真實驗分析。面向電氣原理結構圖的仿真方法步驟如下：首先以調速系統的電氣原理結構圖為基礎，弄清楚系統的構成，在電力系統(Power System)和Simulink模塊庫中找出對應的模塊，按系統的結構進行建模；參數設置，在完成各環節的參數設置后，然后對系統中的各個組成環節進行元件進行仿真參數的設置；最后對系統進行仿真實驗和仿真結果分析。為了使系統得到好的性能，通常要根據仿真結果來對系統的各個環節進行參數的優化調整。2．1開環直流調速系統的仿真模型開環直流調速系統的電氣原理結構圖如圖2．1所示，該系統由給定信號、同步脈沖觸發器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。20世紀60年代，出現了晶閘管可控整流裝置，它具有效率高、體積小、成本低、無噪聲等特點，其中，晶閘管可控整流器的功率放大倍數在104以上。在控制快速性方面，交流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，大大提高系統的快速性。由晶閘管整流裝置給直流電動機供電的調速系統稱為vM系統【241，圖2．2是晶閘管．直流調速系統硬件結構圖，圖2．3是采用面向電氣原理結構圖方法構建的開環直流調速系統的仿真模型。圖2．1 開環直流調速系統控制框圖在MATLAB5．2以上版本中增加了一個電力系統(Power System)3具箱，該工具箱與控制系統工具箱有所不同，用戶不需自己編程且不需推導系統的動態數學模型，只需要從工具箱的元件庫中復制所需的電氣元件，按電氣系統的結構進行連接，系統的建模過程接近實際系統的搭建過程，且元件庫中的電氣元件能較全面地反映相應實際原件的電氣