MATLAB仿真论文

信息与通信工程学院

题 目：班 级: 13姓 名：谢丽娟学 号：

MATLAB仿真论文

基于matlab的系统仿真 级电信三班谢丽娟 14132200845 1

目录

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 一、关于MATLAB的基本知识„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.1 MATLAB的介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.2 SIMULINK的介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 二、无环流可逆调速系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.1 无环流可逆调速系统简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2逻辑无环流调速系统的原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

三、主电路的组成及其工作原理 主电路的组成及其工作原理„„„„„„3 四、仿真系统的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

4.1电流环结构图的简化„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 4.2 电流调节器结构的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 4.3转速调节器设计转速环结构图的简化„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.4 转速调节器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 4.4 转速调节器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 4.5 转速调节器的参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 4.6 逻辑控制器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 4.7逻辑控制器的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

五、 逻辑无环流直流可逆调速系统仿真的建模„„„„„„„„„„„„„„6

5.1逻辑控制直流可逆调速原理和仿真模型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 5.2逻辑控制器模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 5.3电平检测„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 5.4延时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 5.5连锁保护„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

六、仿真结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

摘要

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许多生产机械要求电动机既能正传，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统，采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两项晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。

又环流可逆系统虽然具有反响快，过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。

本文介绍了逻辑无环流可逆直流调速系统的基本原理及其构成，并对其控制电 路进行了计算和设计。 运用了一种基于 Matlab 的 Simulink 和 Power System 工具箱、 面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了逻辑控制电流可逆调速系统的仿真。

样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就

为关键词: 直流电机；环流；逻辑无环流是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

了创建动态系统模型，Simulink提供了一个可逆调速；Matlab 仿真

建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个

创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，一、关于MATLAB的基本知识

1.1 MATLAB的介绍 它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且

MATLAB是矩阵实验室的简称，是美国用户可以立即看到系统的仿真结果。 MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算二、无环流可逆调速系统 法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算2.1 无环流可逆调速系统简介 的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括许多生产机械要求电动机既能正传，又能MATLAB和Simulink两大部分它将数值分析、反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个也就是需要可逆的调速系统，采用两组晶闸管易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反计以及必须进行有效数值计算的众多科学领转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、直接在两项晶闸管之间流通的短路电流，称作Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学环流。这样的环流对负载无益，因此应该予以计算软件的先进水平。 抑制或消除。 1.2 SIMULINK的介绍 逻辑无环流系统目前生产中应用最为广

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，泛的可逆系统，当一组晶闸管工作时，用逻辑它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使他完全集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结的无环流可逆系统。 构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、逻辑无环流调速系统主电路和系统控制灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被电路的系统组成

广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；由于仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件没有环流，不用设置环流电抗器；仍保留平波可应用于或被要求应用于Simulink。 。电抗器Ld，以保证稳定与运行时电流波形连Simulink可以用连续采样时间、离散采样时续；控制系统采用典型的转速、电流双闭环方间或两种混合的采 案；电流环为内环，转速环为外环。为了实现

转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统

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中设置两个调节器，分别调节转速和电流，既的组成及其工作原理 分别引入转速负反馈和电流负反馈。 （1）V-M 系统的可逆线路的分类 根据电1. 电流环分设两个电流调节器，ACR1用来机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁

控制正组出发装置GTF，ACR2控制反组磁通的方向，都能够改变 直流电机的旋转方触发装置GTR。 向。因此，V-M 系统的可逆线路有两种方式： 2. 速度环把转速调节器的输出当作电流调节电枢反接可逆线路--电枢反接反向过程快，但

器的输入，再用电流调节器的输出去控制需要较大容量的晶闸管装置； 励磁反接可逆电力电子变换器。 线路。励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，3. 为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控但所需晶闸管装置 容量小。 本系统采用的是

制环节DLC，这是系统中的关键环节。它电枢反接可逆接线方案。 （2）本系统的主电按照系统的工作状态，指挥系统进行正、路组成及工作原理 系统采用的主电路是两组反组的自动切换。 晶闸管装置反并联可逆线路。两组晶闸管分别2.2逻辑无环流调速系统的原理图 由两套 触发装置控制，不允许让两组晶闸管

同时处于整流状态，否则将造成电源短路。 本系统采用的是三相桥式反并联可逆线路，可使电动机在四个象限内运转， 工作原理如下： 1.三相桥式反并联线路在任何时候都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回 路，其中一个是共阴极组的，另一组是共阳极组的。 2.关于触发脉冲的相位，共阴极组的三个晶闸管之间应互差 120°共阳极组的 晶闸管之间也应该互差别 120°接在同一相的两管之间互差

这种逻辑无环流系统有一个转速调节器

180°。 3.为了保证整流桥合闸后共阴极组和

ASR，一个反号器 AR，采用双电流调节器

共阳极组各有一个晶闸管导通，或者在电 流

1ACR 和 2ACR，双触发装置 GTF 和 GTR

断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一

结构。主电路采用两组晶闸管装置反并 联线

对晶闸管同时给触发脉冲。。

路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，

四、仿真系统的设计

但是为了保证稳定运行时的电流 波形的连

4.1电流环结构图的简化

续，仍应保留平波电抗器，控制线路采用典型的转速﹑电流双闭环系统， 1ACR 用来调节正组桥电流，其输出控制正组触发装置 GTF；2ACR 调节反组桥电 流， 其输出控制反组触

发装置 GTR， 1ACR 的给定信号 U i 经反

图4.1 电流环结构图最终简化图

号器 AR 作为 2ACR 的给定信号 U i ,这样可使电流反馈信号 U i 的极性在正﹑反转时都不必改变， 从而可 采用不反映极性的电流检测器，在逻辑无环流系统中设置的无环流逻辑控制器 DLC，这是系统中关键部件。它按

照系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，

图4.2 电流调节器模块

或 者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁

4.2 电流调节器结构的选择

反组，或者允许反组触发装置发出触发脉 冲

调节器基本思路: 将控制对象校正成为

而封锁正组。在任何情况下，决不允许两组晶

典型系统。

闸管同时开放，确保主电路没有产 生环流的

系统设计的一般原则：“先内环后外环”。

可能。

电流超调量δi≤5% ，电流环按典型I型

三、主电路的组成及其工作原理 主电路

4

系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要(3)Ki2=τn/Kp2=0.087/3.56=0.024

校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电(4)转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决流调节器。 定了电流给定电压的最大值；

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得它是由负载电流 IdL 决定。Idl=24A。则到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。 U*im=In-Idl*λ=136-1.5*24=10V 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在4.6 逻辑控制器设计 突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在逻辑控制器的工作原理 动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动逻辑控制器模块DLC是根据控制器的输的及时抗扰作用只是次要的因素，电流环应以入来判断输出的逻辑状态。逻辑控制器有两个跟随性能为主。 输入输出，两个输出信号Ublr和Ublf分别通4.3转速调节器设计转速环结构图的简化 过触发器来控制是否产生还是封锁触发脉冲，

输出信号Ublf和Ublr的状态必须始终保持相反，以保证两组整流器不会同时处于工作状态。由于电动机的制动和改变转向都需要改变电动机的转矩方向，即电枢电流的方向，在系统控制中电流的方向是由转速调节器输出Ui*

图4.3 转速环结构图最终简化图 的极性来决定的，也就是说Ui*的符号改变是

逻辑控制器切换的条件之一。从a=β配合控制的分析中已经知道，可逆系统的快速制动或反转过程要经历本桥逆变，反馈制动和回馈制动三个阶段。在本桥逆变阶段电动机电流下降至零，然后才经历反接制动阶段建立反向电流，如果在本桥逆变阶段尚未结束时就关断该整 流器，就可能产生逆变失败现象，并损坏整流

图4.4 转速调节器模块 器，所以在转速调节器的输出Ui*改变极性后，4.4 转速调节器设计 还必须等待电动机原方向电流减小到零后，转速环按典型II型系统设计，并选中频段宽度Ui=0，才能关断原来工作的整流器，而开通原h=5。 封锁的另一组整流器，因此电枢电流下降为零为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面Ui=0是逻辑切换的条件之二。只有在Ui*改变必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节极性和Ui=0两个条件满足后，逻辑控制器的器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了输出状态才能改变。 一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共但是逻辑控制器的输入端分别联接转速有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型调节器的输出Ui*和电流的反馈信号Ui。因电系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能流反馈取自电动机的电枢电流，因此电流信号好的要求。 可以有正向，反向和零三种工作状态，而逻辑4.5 转速调节器的参数计算 控制器仅需要判断电枢电流的有无，因此需增(1)传递函数可以写成： 加绝对值计算环节。控制器输出的整流器切换

信号Ublf和Ublr，则分别通过触发模块控制

ns1WASR(s)Kn是否输出移相触发脉冲，而此触发模块的

ns

block端的要求是逻辑控制器输出的信号为

(1)τn=h(2T+Ton)=5*(2*0.0037+0.01)=0.087s “0”时，则该触发器允许输出脉冲，如果逻(2)Kp2=(h+1)βCeTm/2hαR(2T+Ton)=6*0.05*0.辑控制器输出的信号为“1”，则该触发器没有113*0.275/2*5*0.00668*0.0174*(0.4+1.35+0.5)脉冲输出。 =3.56 4.7逻辑控制器的组成

5

逻辑控制器由以下四部分组成：

两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。

五、 逻辑无环流直流可逆调速系统仿真的建模

5.1逻辑控制直流可逆调速原理和仿真模型 逻辑无环流系统仿真模型如图，模型的主

逻辑控制器模块 电路部分基本上与α=β配合控制的有环流可

1)电平检测 逆系统相同，因为没有环流，因此没有环流，电平检测是将输入的模拟信号（Ui*，Ui）转因此不设环流电抗器。控制部分的转速调节器换为数字信号（UT，UI），转换由两个滞环控ASR和两个电流调节器ACR1、ACR2由带输制模块实现，转换要求如下： 出限幅的PI调节器打包形成。逻辑控制器转换极性检测。当Ui*>0时，UT=1，当Ui*<0DLC的输入端分别连接转速调节器的输出时,UT=0； Ui*和电流的反馈信号Ui，因为本模型电流反零电流检测。当有电流Ui不为零时，UI=0；馈取自电动机的电枢电流ia，因此电流信号可当电流为零时，UI不为零； 以有正向、反向和零三种状态，而逻辑控制器2）逻辑判断电路 仅需要判断电枢电流的有无，因此模型中增加由转速电流闭环控制系统模型主要参数可以了绝对值计算环节（Abs）。控制器输出的整流得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达器切换信号Ublf和Ublr，则分别通过触发模式为（用与非门实现）： 块pulse的Block端控制该模块是否输出移相

触发脉冲，触发模块Block端的要求是逻辑控

UFUR(UT.UI)

制器输出的信号为“0”时，则该触发器允许输出脉冲，如果控制器输出的信号为“1”，则

URUF[(UTUI)UI]

该触发器没有脉冲输出。

逻辑判断由与非门YF1~YF4组成，其输入为转矩极性和零电流信号UT，UI；输出为逻辑切换信号UF，UR； 3）延时电路

逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延时3ms左右以保证电流真正为零后，才能发出指令使导通的整流器截止，并且为了确保截止的整流器能恢复阻断状态，需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放，即开放延时，一般开放延时取7ms左右。关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。由于延时发生在逻辑判断电路输出UF和UR从“0”变“1”时的上升沿，而信号的下降沿不需要延时。 4）联锁保护

为了保护正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门YF5~YF7组成了联锁保护电路，YF5和YF6采用与非门是因为输出Ublf和Ublr的电平与触发单元Block端的电平要求一致。在UF和UR同时为“1”时，

6

设计的逻辑控制器如图5-2所示。逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路等4个环节组成，图的下角是封装后的路基控制器图标。

图5-2逻辑控制器模块组成

5.3电平检测

电平检测是将输入的模拟信号（Ui*、Ui）转换为数字信号（UT、UI），转换由两个滞环控制模块（Relay）实现，转换的要求是：转矩极性检测：当Ui*>0时，UT=1；Ui*<0时，UT=0.零电流检测：当有电流时（Ui≠0），UI=0；当电流为零时（Ui=0），UI=0。

在本系统中滞环控制模块（Relay）的设置

图5-1逻辑无环流直流可逆调速系统仿真模型

5.2逻辑控制器模块

DLC是根据控制器输入来判断输出的逻辑状态，可逆调速系统各种运行状态时逻辑控制器输入与输出各量之间的关系归并重复项后，可以得到在逻辑判断的真值表。如表5-1.

UT 1 1 0 0 0 1

UI 1 0 0 1 0 0

Ublf 1 1 1 0 0 0

Ublr 0 0 0 1 1 1

a）转矩极性检测 如图5-3所示。

表5-1逻辑控制真值表

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b）零电流检测

图5-3电平检测对话框

5.4延时电路

逻辑判断电路放出切换指令后还不能立即改变整

流器工作状态，因为在检测到电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延时3ms左右，以保证电流真正为零后，才能发出指令，使导通的整流器截至；并且为了确保截至的整流器能恢复阻断状态，须开放的整流器也需要延时一段时间再开放，即开放延时，一般开放延时取7ms左右。关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。由于延时发生在逻辑判断电路输出UF和UR从“0”变“1”时的上升沿，而信号的下降沿不需要延时，因此设计延时仿真模块如图5-4.

转过程中的转速和电枢电流曲线。电动机带载起动（TL=200N.m），电动机从从从正转起动到稳定运行（0~5s），给出反转指令后，电动机经历正转制动到反转起动、反转运行的转速变化过程（5~10s），10s后系统又从反转切换到正转状态。图6-1c为正反转过程中电动机四象限运行的转矩-转速曲线，在第Ⅰ象限是电动机正转电动状态，电动机基本保持最大转矩起动，第Ⅱ象限是电动机的正转发电制动状态，第Ⅲ象限电动机进入反转电动状态，第Ⅳ象限电动机进入反转发电制动状态，至此电动机完成从正转到反转和制动的一个工作循环。图6-2为逻辑控制器输入和输出信号波形。

图5-4延时模块

5.5连锁保护

为了保证反正两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门YF5~YF7组成了连锁保护电路，YF5和YF6采用与非门是为了输出Ublf和Ublr的电平与触发单元Block端的电平要求一致。在UF和UR同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生器整流器短路故障。

六、仿真结果

逻辑无环流可逆系统正反转过程的仿真结果如图6-1所示。期中图6-1a和6-1b为正反

6-1 逻辑无环流可逆系统工作情况

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6-2 逻辑控制器输入输出信号

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