CH12電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真.ppt

第12章 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真,12.1 概述 12.2 面向微分方程的數(shù)字仿真 12.3 面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真 12.4 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真 12.5 控制系統(tǒng)仿真軟件SIMULINK簡(jiǎn)介,12.1 概述,概念：就是將電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型放到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)，以獲得研究系統(tǒng)所必須的信息。 優(yōu)點(diǎn)：不用的實(shí)際系統(tǒng)可以具有相同的數(shù)學(xué)模型。 用途：可以計(jì)算出系統(tǒng)在不用輸入條件下的輸出變化。 步驟：在仿真前，要了解清楚仿真對(duì)象的數(shù)學(xué)模型所代表的物理意義，在調(diào)試程序基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。,12.2 面向微分方程的數(shù)字仿真,概念：對(duì)已經(jīng)使用微分方程描述的方正對(duì)象進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。,12.2.1 一階線性常微分方程,對(duì)象：一階微分方程 一階微分方程數(shù)學(xué)表達(dá)式： 它的解可以代表RC電路、RL電路等一階系統(tǒng)的 過(guò)渡過(guò)程。 若函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)存在，則 時(shí)刻的值可用 及 時(shí)的各階導(dǎo)數(shù)、步長(zhǎng)h表示，即 （12-2） 對(duì)于n階狀態(tài)方程，可以變成n個(gè)一階微分方程組進(jìn)行數(shù)字仿真。,12.2.2 歐拉法,歐拉法只取泰勒級(jí)數(shù)的前兩項(xiàng)，即： （12-3） 同理可得 （12-4） 歐拉法相當(dāng)于用多個(gè)矩形面積去逼近真實(shí)面積。用矩形法求出預(yù)估值，再用梯形法校正，如此循環(huán)下去。,12.2.3 龍格庫(kù)塔法,式（12-1）中x可以視為狀態(tài)變量，使用四階龍格庫(kù)塔法計(jì)算時(shí)，可推算： （12-5） 式中 是第k個(gè)采樣點(diǎn)的值， 是第k+1個(gè)采樣點(diǎn)的值，系數(shù),12.3 面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真,具體步驟： 將被仿真的系統(tǒng)畫成結(jié)構(gòu)圖形式； 輸入各環(huán)節(jié)參數(shù)及連接關(guān)系，程序自動(dòng)生成一個(gè)描述系統(tǒng)的一階微分方程組； 使用四階龍格庫(kù)塔法求解微分方程組。,12.3.1 線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真,常見(jiàn)的環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、一階慣性環(huán)節(jié)、滯后環(huán)節(jié)、超前滯后環(huán)節(jié) 上述典型環(huán)節(jié)可以用一種基本環(huán)節(jié) 來(lái)表示 當(dāng)A1，B0，D0時(shí)，它表示比例環(huán)節(jié) 當(dāng)A0，B1，D0時(shí)，它表示積分環(huán)節(jié) 當(dāng)A0，B0，C0時(shí)，它表示微分環(huán)節(jié) 當(dāng)A1，D0時(shí)， 它表示一階慣性環(huán)節(jié),對(duì)于二階振蕩環(huán)節(jié) ，可以用兩個(gè) 串聯(lián) ，并加上一個(gè)負(fù)反饋來(lái)表示。如圖12-1所示 以單閉環(huán)直流控制調(diào)速系統(tǒng)為例介紹面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真程序的編制過(guò)程，系統(tǒng)構(gòu)成圖示于圖12-2,環(huán)節(jié)組成：速度調(diào)節(jié)器、整流器、電動(dòng)機(jī)（用兩個(gè)基本環(huán)節(jié)組成）、速度反饋 輸入輸出關(guān)系： （12-6） 寫成矩陣形式為： 即（A+Bs）y（C+Ds）u （12-8）,令 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的連接關(guān)系為： 矩陣形式為： 即 （12-12） 將12-12代入12-8，整理得,寫成狀態(tài)方程的形式，即 （12-16） 可以采用龍格庫(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 仿真程序應(yīng)包括： 輸入各環(huán)節(jié)參數(shù)矩陣 輸入連接矩陣 生成狀態(tài)方程 用四階龍格庫(kù)塔法求解狀態(tài)方程 輸出計(jì)算結(jié)果,12.3.2 連續(xù)系統(tǒng)離散相似法數(shù)字仿真,（1）連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的離散化 設(shè)線性、定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為： （12-17） 離散解為： （12-27） 由x(kT)和u(kT+t)決定（k+1）T時(shí)刻的值,（2）典型環(huán)節(jié)離散狀態(tài)方程系數(shù)的確定 積分環(huán)節(jié) 離散系數(shù)矩陣為 比例積分環(huán)節(jié) 離散系數(shù)矩陣為,慣性環(huán)節(jié) 離散系數(shù)矩陣為,,（3）連續(xù)系統(tǒng)離散相似法的計(jì)算程序 環(huán)節(jié)參數(shù)輸入 輸入連接矩陣的數(shù)據(jù) 根據(jù)參考輸入v(k)和上一步輸出y(k)，通過(guò)連接矩陣求出各環(huán)節(jié)本步輸入u(k)。 根據(jù)相鄰兩步輸入u(k)和u(k-1),計(jì)算本步的 h為計(jì)算步長(zhǎng)。 根據(jù)本步狀態(tài)變量x(k)，輸入量u(k) 及其變化率，由差分方程計(jì)算各環(huán)節(jié)下一步狀態(tài)量x(k+1)。 根據(jù)各環(huán)節(jié)的輸出差分方程，求出下一步的輸出。 重復(fù)各步驟。,12.4 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真,12.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字仿真 圖12-7包括控制電路、 直流電動(dòng)機(jī)、相控整流 器三部分。轉(zhuǎn)速和電流 均為實(shí)際值。,（1）控制電路 組成：速度環(huán)給定濾波器、速度調(diào)節(jié)器、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流環(huán)給定濾波器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)電路 控制電壓的計(jì)算步驟： 根據(jù)第K次的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速設(shè)定值，利用離散相似法可以求出電流設(shè)定值。 對(duì)計(jì)算出的電流設(shè)定值進(jìn)行限幅處理。 對(duì)于電流調(diào)節(jié)器可以采用類似辦法處理。 控制電路中的速度環(huán)給定濾波器、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流環(huán)給定濾波器等均為慣性環(huán)節(jié)，可按（12-43）（12-47）進(jìn)行相應(yīng)處理。,（2）直流電動(dòng)機(jī) 電壓平衡方程式： 機(jī)械運(yùn)行方程式： 計(jì)算出的電流 和速度n(k+1)作為下一步控制電路計(jì)算的輸入。,（3）相控整流器 如果考慮晶閘管的實(shí)際模型，則計(jì)算出的電流、電壓波形更加接近實(shí)際狀況。 計(jì)算出的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)部分下一步計(jì)算新的輸入。,12.4.2 電壓型變頻器異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字仿真,目的： 研究某種控制策略的控制效果； 研究變頻器的運(yùn)行性能； 分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性； 分析電機(jī)的負(fù)載特性和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)等。,,,12.5 控制系統(tǒng)仿真軟件SIMULINK,12.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 主要功能：模型定義和計(jì)算 基本使用方法：首先定義模型或讀出以前定義的模型，然后進(jìn)行計(jì)算。 （1）系統(tǒng)配置 （2）安裝 （3）啟動(dòng),使用順序： 打開(kāi)MATLAB，輸入命令sinulink； 在file項(xiàng)下選擇“NEW”，出現(xiàn)工作窗口“Untitled” 打開(kāi)一個(gè)或幾個(gè)單元塊，從中選擇必要的部分移至工作窗； 在必要的單元塊選擇好之后，將指針移至單元塊的端子，完成兩個(gè)單元塊的連線； 打開(kāi)單元塊并修改內(nèi)部參數(shù)； 做好模型并存盤； 開(kāi)始仿真； 可以修改仿真參數(shù)； 仿真結(jié)果可以實(shí)時(shí)監(jiān)視，仿真結(jié)束時(shí)將結(jié)果送到MATLAB的工作空間進(jìn)行分析。,12.5.2 計(jì)算順序,（1）做簡(jiǎn)單模型 （2）模型計(jì)算 SIMULINK使用方法： 會(huì)話方式 命令方式 S函數(shù)法,