直流調速系統Matlab仿真應用

朱賢勇 萬曉慧

摘要：搭建Matlab仿真模型，揭示開環直流調速系統存在的問題和有靜差的直流閉環調速系統中比例控制器放大系數確定原則，由此提出了一種理論問題引出與仿真實驗驗證相結合的教學方法，該方法能有效彌補電力拖動自動控制系統課程在傳統教學中的不足之處，提高學生學習興趣，便于推廣。

Abstract： Through building Matlab simulation model， to reveale the problems of open loop DC speed regulating system， and parameters determination of the proportional controller in the static DC closed-loop speed control system， a teaching method that theoretical problems combined with simulation experimental verification is proposed， which can effectively make up the deficiency of automatic control system course in traditional teaching，and improve students' interest in learning， easily to be spreaded.

關鍵詞：直流調速系統；Matlab仿真；理論問題引出；仿真實驗驗證

Key words： DC speed control system；Matlab simulation；theoretical problem extraction；simulation experimental verification

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）27-0254-03

0 引言

《電力拖動自動控制系統》（運動控制系統）是電氣工程與自動化專業的一門專業技術課，主要涉及直流電機調速系統和交流電機調速系統的數學建模與控制系統的工程設計。由于該門課程理論性極強，采取以教師理論講解為主、學生被動學習的傳統教學模式無法調動學生積極性，而Matlab/Simulink仿真軟件具有強大的控制系統建模與仿真功能，因此，可以將該軟件引入電力拖動自動控制系統理論教學課堂，采取一種理論問題引出與仿真實驗驗證相結合的教學方法，該方法能使學生對電力拖動自動控制系統相關知識有形象直觀認識，提高學生的學習興趣。本文將通過兩個案例對這種教學方法進行舉例說明，仿真時只做定性分析，驗證理論原理。

1 開環直流調速系統存在的問題案例

直流電動機采用調壓調速時，其開環調速系統原理圖如圖1所示。UPE為可調直流電源，通常為可控整流電路或直流PWM調壓電路。通過調節給定電壓Uc，直流電機電樞回路可以得到不同的電壓Ud，轉子從而獲得不同轉速。

那么，直流電機開環調速系統存在什么問題？通過仿真實驗，可以回答這個問題。仿真電路如圖2所示。通過三相晶閘管橋式整流電路將三相交流電整成直流電，在通過一個平波電抗器，加載在一臺他勵直流電機電樞繞組上，電機勵磁回路電壓取500V，TL端給電機加負載轉矩，m為電機參數測量端，默認為一個向量，包含的參數依次為電機角速度、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩。通過一個信號分解器提取出轉子角速度，乘上系數30/pi，即為電機轉速。通過同步6脈沖觸發裝置給三相晶閘管橋式整流電路門極加觸發脈沖。仿真電路中，各主要元件參數見表1。

仿真電路中，給同步6脈沖觸發裝置加50°觸發角不變，從而直流電機端電壓不變，電機負載轉矩在1秒后由0增加到100Nm，仿真結果見圖3所示。

由轉速仿真結果可知，隨著電機拖動的負載增加，實際轉速下降，靜差率增大。如果不人為干預，系統對負載擾動造成的轉速下降無能為力，這就是開環直流調速系統存在的最大問題。我們希望電機轉速唯一由端電壓（即晶閘管觸發角）決定，而負載對調速系統而言視為擾動，設計調速系統的目的就是讓轉速服從給定，抵抗擾動的影響，顯然開環調速系統無法實現。

從理論分析，開環直流調速系統穩態數學表達式為

上式中：Ks為晶閘管穩態放大系數；Uc為轉速給定信號；R為電機電樞回路總電阻；Id為電樞回路電流；Ce為電機電勢系數；Φ為電機勵磁磁通，當采用它勵直流電機時該值可認為是常數；n為電機轉速。當電機空載運行時Id接近為零，不同的給定信號對應不同空載轉速，隨著負載的增加，Id增大，電機轉速隨之下降。由此表明，仿真實驗與理論相符。

2 有靜差直流閉環調速系統中比例控制器系數確定案例

有靜差直流閉環調速系統結構圖如圖4所示，該控制系統包含轉速給定環節、控制器A、可調直流電源UPE、直流電機、轉速測量反饋環節，其中，控制器A只是一個比例放大器。

通過分析已經得出，當要同時滿足調速范圍與靜差率指標（通常靜差率不超過某個數值）時，控制器的比例放大系數KP必須大于等于某個值，而且KP越大，調速系統靜差率越小，理論上當KP為無窮大時，靜差率為0，整個調速系統就成為無靜差的調速系統。那么，是不是KP取值越大越好？通過一個仿真系統來回答這個問題。仿真電路如圖5所示。

圖5中，直流電機調速系統轉速給定信號為10，將電機實際轉速通過反饋系數0.01后與給定信號的差值信號，經過比例放大系數KP后，作為同步6脈沖觸發裝置觸發角給定信號，主電路結構與圖2相同。電機負載轉矩在1秒后由50Nm變為100Nm。討論問題為，隨著比例放大系數KP逐漸增大，電機轉速如何變化。不同KP值下的電機轉速見圖6至圖9。

由圖6至圖9可知，隨著比例控制器放大系數KP值逐漸增大，電機負載轉矩由50Nm變為100Nm時造成的轉速降落逐漸減小，即KP值越大，負載對轉速的影響越小，在調速范圍不變時，系統的靜差率越小。但是，隨著KP值的增大，系統的動態過程波動越大，當KP超過某個數值時，系統不穩定。因此，在有靜差直流調速系統中，比例控制器放大系數KP的取值不僅要滿足所提出的穩態性能指標，還應保證系統的穩定性。那么，保證系統穩定，KP該如何取值？要回答這個問題，就必須建立有靜差直流閉環調速系統的動態數學模型。

3 結束語

本文通過兩個案例，成功地將Matlab/Simulink仿真軟件引入電力拖動自動控制系統理論教學中，做到理論問題引出與仿真實驗驗證相結合，使抽象、深奧的理論知識直觀易懂，也能培養學生提出問題、分析問題和通過實驗解決問題的能力，激發學生的學習積極性。這種教學方法也可以在《電路》、《電機學》、《電力電子技術》和《自動控制原理》等課程中推廣應用。

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