直流电机模糊控制系统的matlab-simulink仿真研究毕业设计(编辑修改稿)

直流电机模糊控制系统的matlab-simulink仿真研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

太大，在现代工业的生产过程当中，通常只是配合调压调速方法一起使用，在额定的转速上作小范围的提升转速运转，这样的调压与调磁相结合的方式，可以扩大转速调节的范围。 改变电枢回路电阻进行调速一般是在电枢回路中串接附加电阻，这种调速方法损耗比较大，只能进行有级调速，由于电动机的机械特性比固有特性软，通常只是用于少数小功率和场合。 直流调速系统的供电方式 要实现调压调速，就得要有一个平滑可调的直流电源，常用的可调 直流电源有以下三种： (1) 旋转变流机组：使用直流发电机组和交流电动机组成旋转变流机组，可以获得可调的直流电压。 在二十世纪四十年代，工业上就广泛采用旋转式变流机组给直流调速系统供电，如图 3 所示。 图 3 旋转变流机组供电的直流调速系统 交流电动机 M1 拖动直流发电机 G 发电，发电机给需要调速的直流电动机 M供电。 调节发电机的励磁电流 可改变其输出电压 U ，从而调节直流电动机的转速 ,此系统简称为 GM 系统。 若改变电流 的方向，则电压U的极性和转速 的转身都跟着改变，可以实现 GM系统的可逆运行。 通常还要另外增加一台直流励磁发电机 GE来供给电动机和直流发电机励磁电流。 但因 GM系统设备多、相对比较复杂、安装运行维护不便、成本高、经济效益低、噪音大等缺点。 (2) 静止可控整流器：使用静止的可控整流器，比如晶闸管可控整流器，可以获得可调的直流电压。 二十世纪六十年代，晶闸管可控整流装置的出现，因其具有高效、费用底、体积小、噪音小等优良性能，面且晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104以上。 在控制的速度反应方面，变流机组 是秒级，而晶闸管整 8 流器的反应级数是毫秒级，从反应速度上来比较，晶闸管整流器的反应速度明显比变流机组快，这就大大提高了系统反应速度。 (3) 直流斩波器或脉宽调制变换器：使用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。 在电力牵引系统的设备上常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电源提供电能。 直流电压也可以使用晶闸管来进行控制，即直流斩波器，也称之为直流调压器。 如图 X所示，在直流斩波器中，当 VT 被触发导通之后，电压 加到电动机上，当断开 VT 之 后，电动机和电源断开，电动机经过 VD（二极管）的续流，电压值趋于零。 经过反复作用，可以得到如图 X的电枢端电压的波形。 直流斩波器能通过调节晶闸管导通与关断的时间来改变其平均电压的大小，以此来调节转速。 开环 VM 系统的机械特性 开环 VM系统的组成如图 X所示，当调节给定电压时，晶闸管所组成的触发电路移相角α发生改变，导致整流电压 和电枢电压 发生改变，从而调节了转速。 开环 VM系统的机械特性，若电流是连续的时候，转速为 （ 2） 开环 VM系统的机械特性如图 4中的实线所示。 9 图 4 开环 VM系统的机械特性 其中式 (2)中 表示的是电机在额定磁通下，电动势的转速比，其中。 式中 表示整流电压在一个时间周期内的波头数，式中 表示的是开环调速系统在理想空载的条件下的转速，式中 表示的是开环调速系统的稳态速降。 给电动机加负载，就会产生电流。 随即产生的转速降，若 越小，则开环 VM 系统的机械特性硬度越大。 当系统在开环条件下运行时， 的大小完全由电阻 及所加负载的大小来决定的。 晶闸管整流装置的电压输出是脉动电压，会造成在主回路电感量不足或者是在电动机负载较轻的情况下出现电流断续。 当负载电流减小，反电动势快速变大，导致理想空载转速比，如图 4 中的虚线所示。 开环 VM系统的机械特性分为电流连续段和断续段，机械特性呈线性较硬的是连续段，呈非线性较软的是断续段。 从综合特性来看，要提高系统的机械特性，需要增加反馈调节。 这样才能满足工业化生产的应用要求。 直流调速系统的动态分析 单闭环直流系统的动态分析 (1) 单闭环调速系统的动态数学模型，通过建立 系统的动态模型，能更加直观的定量分析单闭环调速系统的动态性能。 建立模型的一般步骤为：例微分方程，进行拉氏变换得到传递函数，画出动态结构框图，求出系统的传递函数。 电压方程式为： 10 (3) 晶闸管整流器的动态传递函数为 : (4) 若不 考虑放大器输入端的滤波，则其模型为 ,则其传递函数为 : (5) 不考虑反馈的滤波电路，则其模型为 ,其传递函数为 根据系统间的结构关系，得到的动态结构图如图 5所示。 图 5 转速闭环调速系统的动态结构图 (2) 单闭环调速系统的动态校正，设计闭环调速系统的过程中，稳定性和稳态性指标常会发生矛盾，这就需要增加动态校正装置来校准系统，让他能同时满足各项性能指标的要求。 对于一个系统，动态校正方法有很多种，在电力自动控制系统中，串联校正和并联校正是最常用的校正方法，相对并联校正，串联校正相对简单，易实现等特点。 对于传递函数阶次较低的直流闭环调速系统，使用 PI 调节器的串联校正方法，就能实现动态校正的任务。 调节器分为三类，分别是 PI 比例积分、 PD 比例微分、 PID 比例积分微分。 这三种类型中各有各的优点，也有不足之处。 其中PI 调节器所构成的是滞后调节，稳定性好，但调节反应慢。 PD 调节器所构成的是超前校正，调节反应快，但稳定性差。 PID 调节器能实现对 PI 调节器和 PD 11 调节器性能的综合，即反应速度快，又能使系统稳定，全面提升系统的控制性。 但 PID 调节器要比 PI和 PD调节器要复杂的多，在现代工业化的实际生产当中，一般对稳定性的要求要高于对快速性的要求，则一般采用 PI 调节器。 当对快速性要求高于稳定性的要求时，则一般采用 PD 或 PID 调节器进行调节。 多环直流调速系统的动态分析 在反馈系统中，核心闭环数多于一个就称之为多环系统。 常见的多环系统有以下三类：分别是带电流变化率内环系统、带电压内环的三环调速系统和转速电流双闭环调速系统。 最典型的就是双闭环调速系统了。 带电流变化率内环系统，为提高双闭环调速系统的快速性，在启动或关闭电动机的时候，期望电流能迅速变化。 这就需要在电流环内增设电流变化率环，通过它的调节，使之能保持最大变化率而又能保持电流变化率不会过高，这保证了电流波形和理想的动态波形更加的接近。 这就使得转速、电流和电流变化率共同组成了三环调速系统。 带电压内环的三环调速系统，带电压内环调速系统同样能提高系统的对负载扰动的抗 扰性能和动态跟随性能，但其效果没有带电流变化率内环系统。 在抗电网电压扰动方面，电流环不如电压环，电压环的调节比电流环的调节更加及时。 双闭环调速系统的动态结构图如图 6所示。 若 双闭环 调速 系统 采用转速电流控制，则其动态跟随性能和动态抗扰性能都能得到有效的提高，若双闭环调速系统的内环能改变环内的传递函数，使它有利于对外环的控制，这样也能提高系统的各种性能。 并且有内环的存在，内环能抑制环内的电网电压波动。 图 6 双闭环调速系统的动态结构图 直流脉宽调速系统概述 12 直流调压调速是现代工业实际生产中应用相当广泛的一种调速方法，利用电力电子元器件的可控性，再使用脉宽调制技术加以调制，就构成了直流脉宽调速系统。 电气原理结构图如图 7 所示。 图 7 直流脉宽调速系统的电气原理结构 图 直流脉宽调速系统中存在有：给定环节、限幅器、速度反馈环节、速度调节器 ASR、 PWM 信号发生器等控制电路。 13 3 直流电机 直流电动机的基本结构和工作原理 直流电动机的基本结构 旋转电机主要由定子部分和转子部分组成，定子和转子之间的气隙是用来储存磁能的。 直流电机的定子主要组成部件有主磁极、端盖、机座和无刷装置等。 转子是电枢，转子的主要组成部件有磁极、电枢和 换向器 等。 其结构如图 8所示。 图 8 直流电动机的主要结构 (1) 主 磁极。 主 磁极是电动机产生 主磁场的装置 ,如图 9 所示。 图 9 中 1是 极心 、 2 是 极掌 、 3 是 励磁绕组 、 4 是 机座。 磁极由 极心 1 和极掌 2 两部分 组成。 在 极心 1上放置励磁绕组 3，极掌 2是调整 电动机空气隙中 的 磁感应强度，并 挡住励磁绕组。 钢片叠成的磁极，固定在电机外壳 上。 电机外壳 也 是磁路 中 的一部分。 图 9 直流电动机的磁极及磁路 14 (2) 电枢。 在 电动机中 ， 产生感应电动势的部分 称为电枢。 电枢是旋转的，由硅钢片叠成 的电枢 呈圆柱状，表面槽中放 置 电枢绕组，如图 10所示。 图 10 直流电动机的电枢 (3) 换向器 ，也称作整流子。 在直流电动机中， 换向器是 一种特殊装置。 如图 11 所示。 换向器由多个换向片组成，相邻换向片之间使用绝缘片隔开。 在换向器的表面，装有电刷，在电动机转动的过程中，能使电枢绕组和外电路联接。 图 11 换向器 直流电动机的工作原理 电动机的工作原理是建立在电磁感应和电磁力的基础之上。 把复杂的问题简单化，能够更好的理解电动机的工作原理。 直流发电机的工作原理 是当一根 导体 在磁场中 进行运动时 ，导体 所感应出的电动势 e ，则有公式： (6) 式 (6)中， B表示 磁 通 密 度、 l 表示 导体 的长度、 v 表示 导体 相对于磁场的 速度。 正方向： 可以使用 右手定则 来进行 判断。 如图 12 所示。 电势 e的 正方向 所 表示 的是电位升高。 与 U 相反。 在同一元件上，若 e和 U的方向相反，则有 e=U。 15 图 12 右手判断方法 电磁感应原理 ， 磁通 的变化也能产生感应电动势。 对 电动机的 工作过程 进行分析： 要进一步了解电动机的工作原理。 电动机主要是由磁场、励磁绕组、换向器、电枢等组成。 通过对其工作特性的分析，进一步了解其工作原理。 磁场： 在 图 13 中 ， S和 N是一对静止的磁极， 在电动机运行过程中 产生磁场，磁感应强度 为正弦分布在圆的四周。 励磁绕组 ：发电机中，一般容量较小的发电机磁极，都是采用永久磁铁。 容量较大的发电机 磁场 ，都是采用直流电流的铁心绕组所产生的磁场。 励磁绕组 是用来形成 N极和 S极的绕组，称 励磁绕组中的电流 为励磁电流 ，用 表示。 电枢绕组： N 和 S 极之间， 在 圆柱形铁心 上绕着的线圈称为电枢绕组。 并称 电枢绕组中的电流为电枢电流 ，用 表示。 换向器：换向器是由电枢绕组 两端 接在换向片上所组成的。 换向器 外面装有电刷。 图 13 换向器 16 电枢： 电枢是电动机的 旋转部分 ，由 铁心、电枢绕组和换向器。