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Matlab在电力电子技术仿真中的应用
　　20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产、交通运输、楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术。为了更高效的利用电能，不断的有新控制技术和算法出现。那么如何验证这些算法的好坏呢？建立模型仿真是最有效，最经济的一种形式。
　　在实际的工程应用中，我们要经常需要改善系统的运行性能，提高系统的效益。而系统又通常是复杂的非线性的，在仿真的基础上加以实现就比较容易。电力电子技术仿真的所有元件模型都包含在MATLAB的电力系统模块环境中。在MATLAB提示符下键入powerlib命令。这个命令将打开simulink窗口。同时展示了电力系统模块工具箱中的不同子模块工具箱。在psb中几乎提供了组成电力系统的所有元件，元件模型丰富，包括：同步机，异步机，变压器，直流机，线性和非线性，有名的和标么值系统的，不同仿真精度的设备模型库，单相，三相的分布和集中参数的传输线，单相，三相断路器及各种电力系统的负荷模型，电力半导体器件库以及控制测量环节， 信号显示和模块连接等一般可以在simulink工具箱中找到。
　　2. 电力电子变流技术——三相全桥整流仿真
　　2.1整流器件
　　晶闸管及电力晶体管等是主要的电力电子器件，也就是说没有这些器件就没有电力电子技术，电力电子技术的核心是电力变换也就是变流技术。通过对晶闸管等器件的控制从而实现电力变换。
　　晶闸管整流是电力电子技术中最基础的变流技术，通过它可以实现电流从交流到直流的变换。在MATLAB仿真中可以由SimPowersystem模块中提供的电力电子模块PowerElectronic中的Thyristor来提供仿真模块实现。
　　2.2 模型建立
　　三相桥式整流电路是电力电子变流技术中非常重要的一个功能，它不仅可以将交流电压转换成直流电压，以用作直流电动机的直流电源，还可调节电动机电枢电压以进行电动机的调速。在电力电子变流电路中，三相桥式整流电路应用十分广泛，鉴于它在工业应用中的广泛性，这里以一，这里以一个带感性负荷的三相桥式整流电路为例，介绍如何运用Matlab／Simulink对它进行仿真。三相桥式整流电路的原理图如图一所示：
　　图一：三相桥式整流电路原理图
　　根据原理可以利用Simulink内的模块建立图二所示的仿真模型。设置三个交流电压源Va、Vb、Vc相角依次相差120，得到整流桥的三相电源。用6个Thyristor构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。6 PULSE convertor产生整流桥的触发脉冲。6个PULSE convertor从上到下分别给1到6号晶闸管触发脉冲。
　　2．2 参数设置
　　2．2．1 触发脉冲的设置
　　给图二中的每个脉冲发生器(PULSE generator)设合理的参数，从而获得三相整流桥所要求的触发脉冲。以使得触发角为30。为例，参数设置如下：
　　A、周期（s）0．02
　　B、脉冲占空比 25%
　　C、幅值 0．1
　　每个脉冲发生器这几项的参数设置均相同，不同之处在于开始时间start time的设置，这一参数用于设定触发角。为获得30。的触发角，可以设定脉冲发生器1的start time 为0．02／12+0．02／12。第i个 脉冲发生器(i=2，．．．，6)为0．02／12+0．02／12+0．02(i-1)／6。使得每个触发脉冲相差60度，实现整流触发。
　　图二 仿真模型
　　2．2．2 设置晶闸管的参数
　　电路工作正常时，6个晶闸管的参数设置：
　　电阻 0.1
　　电感 10e-6
　　直流电压源电压： 0
　　初始电流 0
　　缓冲电阻 103
　　缓冲电容 0.1e-6
　　2.2.3三相交流电源及负载设置
　　三相交流电源参数及负载参数设置如下：
　　负载参数设置如下：（阻感负载）
　　电阻 0.2
　　电感 20e-3
　　电容 inf（使电源为感性）
　　3 仿真结果分析
　　3.1正常情况下的仿真
　　首先对建立的正常情况下的仿真模型进行仿真，其仿真参数设置为：
　　开始时间： 0.04s（晶闸管第一次触发时间）；
　　停止时间： 0.2s；
　　仿真算法： 可变步长的数值微分公式算法。
　　运行仿真程序可以得到正常的仿真波形如图三所示：
　　图三 正常的电压仿真波形
　　3.2故障波形仿真
　　晶闸管出现故障的几率较大，共有四种故障分别为：
　　3.3 仿真结果分析：
　　观察以上波形，对应图(a)正常工作时，每个周期(T=O．02s)连续输出6个波头，每个波头均为60度。图(a)每个周期连续少两个波头，两个波头为120度。由于正常工作时每个桥臂导通120度，因此可判定图(a)对应为有一个桥臂不导通，即有一个晶闸管发生故障。图(b)每个半周期有一个波头，再连续少两个，一个周期共少了4个波头，三相桥式电路应输出6个波头，不难看出此时只有两相导电，另一相的两个桥臂不通，即接在同一相的两个晶闸管故障。图(c)每个周期有两个连续波头，接着少了4个连续波头，由于正常情况时输出电压波形6个波头的顺序可判定接在同一半桥的两个桥臂不导通。图(d)每个周期连续输出3个波头，接着连续少了3个波头，容易得出该图对应不同相的交叉的两个晶闸管故障。可见由波形得到故障形式与设定故障形式得到仿真波形的结果是一致的。
　　同时，还可以利用触发脉冲参数的改变仿真不同负载与不同触发角情况下的波形，通过对电压波形的分析，我们可以了解三相全控桥的故障状态从而及时的发现与解决故障。
　　4 总结
　　通过对电力电子技术中最有代表作用的三相全控桥的仿真实现，可以看出利用matlab中的powerlib工具箱对可以对电力电子技术仿真具产生极大的现实价值，为电力电子设备的开发提供有力的帮助。
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[4.1]控制系统结构如图4.1所示
利用MATLAB对以上单位负反馈控制系统建立传递函数；
将第一问中求得的传递函数模型转化为零极点增益形式和状态空间形式。
解:（1）num [2 2];den [1 2 1];[num1,den1] cloop num,sys tf num1,den1
程序运行结果如下：
Transfer function:
-------------
s^2 + 4 s + 3
（2）[z,p,k] tf2zp num1,den1 ;g_zpk zpk z,p,[A,B,C,D] zp2ss z,p,g_ss ss A,B,C,D
程序运行结果如下：
[5.1]设单位负反馈控制系统的开环传递函数为G S
（1）试绘制k 10、100时闭环系统的阶跃响应曲线，并计算稳态误差、上升时间、超调量和过渡过程时间；
（2）绘制k 1000时闭环系统的阶跃响应曲线，与k 10、100时 所得的结果相比较，分析增益系数与系统稳定性的关系；
解：（1）k 10时，
K 10时，利用MATLAB工作区输入程序：
num [10];den [1,7,17,0];[z,p,k] tf2zp
num,运行得z,p,k的值
-3.5+2.1794*i
-3.5-2.1794*i
G zpk [ ],[-3.5+2.1794*i,-3.5-2.1794*i],10 ；c dcgain G ;[y,t] step G ;plot t,y
[Y,K]percentovershoot 100* y-c /c
n 1;while y n
n n+1;end risetiwhile y i
0.98*c&y i
setllingtime t i
运行程序结果为：稳定值c 0.5882，响应时间setllingtime 1.0096s,上升时间risetime 1.1989s,最大峰值时间 timetopeak 1.4356,超调量percentovershoot 0.555%
同理得k 100时，稳定值c 5.882，响应时间setllingtime 1.0096s, 上升时间risetime 1.1989s,最大峰值时间 timetopeak 1.4356,超调量percent
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《MATLAB应用技术》第三章
电力电子与MATLAB应用技术
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matlab器件整流桥仿真
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内容详情：
对于磁链开环的转差型矢量控制系统,关键问题就是能否保证转子磁链在动态过程中恒定不变,因此转子磁链观测器的估计精度很大程度上决定了调速系统的动态性能。建立在M-T坐标系上的磁链观测模块如图6-6示。该模块包括转子磁链幅值和转子磁链角两个参数的计算。将矢量控制方程式进行拉氏变换得到其中Tr=Lr/Rr为转子时间常数。这部分由增益系数模块和连续传递函数模块,获得转子磁链幅值从而求得转矩电流分量i*转子磁链角的计算公式为(6-13)式中nω为转子电气转速可直接测量。由实时计算的ψr幅值和速度信号ωr,得到磁场定向角θ,实现磁场定向。模型中常数C=1e-3,避免转子磁链初值为0时出现的奇异点发散现象,加快系统稳定。南京工程学院毕业设计说明书（论文）446.3仿真结果及分析采用上述仿真模型,对矢量控制变频调速系统进行空载变速及恒速加载运行仿真。异步电机参数如下:额定功率Pn=500W；额定相电压Vn=127V；极对数np=2；转动惯量J=0.00095kg·m2；阻尼系数D=0.1；其他参数:定子电阻Rs=4.495；转子电阻Rr=5.365；定子电感Ls=0.165H；转子电感Lr=0.162H；互感Lm=0.149H；转速控制器参数整定为Kp=2,Ki=25；电流控制器滞环宽度H=0.2A；逆变器电路直流母线电压Vdc=780V；系...
&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）1基于MATLAB的转速开环变频调速虚拟实验系统的设计与开发毕业论文绪论&&&&&&&&1.1课题背景与意义虚拟实验系统是在计算机仿真基础上发展起来的一项新技术，利用计算机的强大功能虚拟仿真实际的物理系统，将计算机仿真引入到课程教学中来开发虚拟实验，可在计算机上研究电路和系统，并且可以任意地在计算机上设计、维修电路和系统，且立即看到所设计电路或系统运行的效果。&&&&&&&&本次设计与开发的虚拟实验系统是用来进行变频调速系统的仿真，需利用MATLAB的图形用户界面设计技术和SIMULINK强大的仿真功能。&&&&&&&&该系统一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分，变频调速是平滑改变定子供电电压频率而使转速平滑改变的调速方法。&&&&&&&&MATLAB提供的动态系统仿真工具Simulink可以有效地对系统进行建模，而且仿真过程是交互的，可以随意地改变参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。&&&&&&&&另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。&&&&&&&&1.2论文内容与安排本设计主要研究利用MATLAB来设计开环变频调速的虚拟实验系统对本课题的背景及意义进行简单介绍；第二章主要对基于MATLAB的虚拟系统进行介绍，叙述了该系统的实际意义，另外对MATLAB软件进行了简单的介绍；第三章介绍了交流变频调速系统,主要介绍了变频调速的基本原理以及控制方式，重点叙述了交-直-交变频器的结构和原理，着重介绍了恒压频比控制的变频调速系统的结构及其工作情况；第四章主要对脉宽调制技术进行了简单的介绍，简单叙述了SPWM调制的变频调速原理及其控制方式；第五章介绍了转速开环变频调速仿真系统的设计，首先整体描述了变频调速仿真系统的建立，接着介绍了各模块的功能及参数设置，分析了系统软起动南京工程学院毕业设计说明书（论文）2的作用，最后利用MATLAB软件对变频调速系统进行仿真，得出仿真图；第六章对本设计进行总结，总的概括了本次毕业设计的成果，对设计中还存在的问题进行了分析。&&&&&&&&在正文结束后，还附有致谢、参考文献和附录，在附录中给出了英文资料、英文资料的翻译、控制系统的原理图和MATLAB仿真图。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）3第二章基于MATLAB的虚拟实验系统2.1虚拟系统的实际意义实验是教学中的重要手段,对工程类课程的学习尤为重要,通过实验不仅可以验证理论的结果,加强对理论的认识,并且可培养学生实际动手能力。&&&&&&&&但是实验往往受到客观条件的限制,设备、场地、时间等诸多因素制约了实验的数量和质量。&&&&&&&&一门课程一般只能设置有限几个实验,在规定的时间内完成，同学们对按规定程序操作的指定性实验不感兴趣。&&&&&&&&在大家有一些新想法需要通过实验来验证时,实验室的条件则很难做到,这不利于大家创新能力的培养。&&&&&&&&对此实验室已经采取了许多措施,如开放实验室、设立设计性实验等,但是收效都不大,主要是计划外的实验需要较长的准备时间,实验室很难都具备器件、设备、仪器的条件。&&&&&&&&为了提高实验的质量和加强同学们能力的培养,为大家创新思维创造条件,我们在学习中开展了虚拟实验的开发和研究工作。&&&&&&&&虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。&&&&&&&&利用计算机的强大功能可虚拟仿真实际的物理系统。&&&&&&&&计算机仿真已在科学研究、工程设计等方面发挥了巨大的作用,并且已经开发了多种软件。&&&&&&&&将计算机仿真引入课程教学中来开发虚拟实验系统,使同学们能在计算机上做实验,在计算机上研究各种电路和系统,并且可以任意地在计算机上设计、修改电路和系统,且立即看到所设计电路或系统运行的效果,不仅可以提高学生学习的兴趣,加深大家对理论的认识,更重要的是掌握了一种现代设计分析手段。&&&&&&&&一个传统的硬件实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果开设综合性实验所需仪器更多，这么多的仪器不仅价值昂贵，体积大，占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。&&&&&&&&我们学习中的异步电动机变频调速系统实验，整个系统都须根据原理图按接线端的编号一一对应接线，结构较复杂，调试过程中还必须考虑各参数之间的依赖性，所以整个实验过程既费时又费力。&&&&&&&&另外仪器的维护费用较高，需要耗费大量的人力物力。&&&&&&&&而目前常见的计算机仿真软件有PISPCE和MATLAB等,我们的虚拟实验系统主南京工程学院毕业设计说明书（论文）4要在MATLAB上开发。&&&&&&&&利用MATLAB的图形用户界面设计技术和SIMULINK强大的仿真功能，在MATLAB环境下建立变频调速系统的各模块，并对其进行参数设置，连线，设置仿真参数后得出仿真波形，这有利于更直观的学习变频调速的知识。&&&&&&&&且使用模块化的图形搭构,使用方便且形象化,可视可读性强。&&&&&&&&该虚拟系统是在计算机平台上进行,不需要大量的仪器和设备,节省了经费和投资,可以弥补实验设备的不足。&&&&&&&&2.2MATLAB的SIMULINK环境和模型库MATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真环境，在此环境中，用点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。&&&&&&&&原来的MATLAB仿真编程是在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB函数，不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系。&&&&&&&&在SIMULINK环境中，系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。&&&&&&&&MATLAB的工具箱已经有极其丰富的内涵，下面主要介绍SIMULINK工作环境和系统仿真(SIMULINK)和电力系统(PowerSystemBlock)两个模型库。&&&&&&&&2.2.1系统仿真(SIMULINK)环境系统仿真(SIMULINK)环境也称工具箱(Toolbox)，是MATLAB最早开发的，它包括SIMULINK仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序(CCS)的继续，现在的系统仿真(SIMULINK)包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。&&&&&&&&由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大，后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境，成为MATLAB仿真的公共平台。&&&&&&&&SIMULINK是Simulation和Link两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型库都在此环境中使用，从模型库中提取模块放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。&&&&&&&&所以，有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础。&&&&&&&&SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点：&&&&&&&&1、以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。&&&&&&&&以框图表示的系统应包括输入(激励源)、输出(观测仪器)和组成系统本身的模块。&&&&&&&&2、画完系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。&&&&&&&&这时，会自动完成南京工程学院毕业设计说明书（论文）5仿真系统的初始化过程，将系统框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构，并计算系统在给定激励下的响应。&&&&&&&&3、系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。&&&&&&&&4、系统仿真的数据可以用以.mat为后缀的文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。&&&&&&&&5、如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，会给出一定的出错提示信息，但是这提示不一定准确，这是软件还不够完备的地方。&&&&&&&&6、以框图形式对控制系统进行仿真是SIMULINK的最早功能，后来在SIMULINK的基础上又开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊控制等书10种模型库，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱公用的平台，在此平台上可以进行控制系统、电力系统、通信系统等各种系统的仿真。&&&&&&&&2.2.2SIMULINK的工作环境在MATLAB的菜单栏上选择File,在下拉菜单中的New选项下选中Model。&&&&&&&&完成这一操作之后，屏幕上出现SIMULINK的工作窗口。&&&&&&&&在SIMULINK工作窗口上方右侧是最小化、最大化和关闭三个按钮。&&&&&&&&标题栏下方是菜单栏，这里有File(文件)、Edit(编辑)、View(查看)、Simulation(仿真)、Format(格式)、Tools(工具)和Help(帮助)7项主要功能菜单。&&&&&&&&第三栏是菜单命令的等效按钮。&&&&&&&&窗口下方有仿真状态的提示栏，在启动仿真后，在该栏中可以提示仿真的进度和使用的仿真算法。&&&&&&&&窗口中部的空白部分是绘制仿真模型框图的空间，这是对系统仿真的主要工作平台。&&&&&&&&2.2.3模型库浏览器模型库是SIMULINK的重要内容，模型库中保存了控制系统中常用的典型环节的模型，在系统仿真时，只要调用这些典型环节就可以很方便地组成系统的仿真模型。&&&&&&&&SIMULINK工具箱的模型都可以通过模型库浏览器来查找。&&&&&&&&在模型库浏览器上有20余种模型库，包括电力系统模型库、通信系统模型库、数字信号模型库、定点处理模型库等。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）6第三章交流变频调速系统采用交-直-交变频器对笼型异步电动机进行调速控制，调速范围大、静态稳定性好、运行效率高、使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以已经在生产和生活中得到了广泛的应用。&&&&&&&&3.1变频调速的基本原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的的，当在定子绕组上介入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电机转动起来。&&&&&&&&电机磁场的转速称为同步转速，用Ｎ表示：Ｎ=60f/p(3-1）式中：f为三相交流电源频率，一般为50Hz；p为磁极对数。&&&&&&&&当p=1时，N=3000r/min；P=2时，N=1500r/min。&&&&&&&&由式(3-1)可知磁极对数p越多，转速Ｎ就越慢。&&&&&&&&转子的实际转速n比磁场的同步转速Ｎ要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率ｓ表示：ｓ＝［（N-n）/N］×100%(3-2)在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；启动后的极端情况n=N，则s=0，即s在0～1之间变化。&&&&&&&&一般异步电机在额定负载下的s=1%～6%。&&&&&&&&综合式(3-1)和式(3-2)可以得出N=60f(1-s)/p(3-3)由式(3-3)可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。&&&&&&&&但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要做相应调节。&&&&&&&&变频器就是在调整频率的同时还要调整电压，故称变压变南京工程学院毕业设计说明书（论文）7频调速，简称VVVF。&&&&&&&&3.2变频调速的控制方式对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。&&&&&&&&这是因为，如果磁通太弱，铁心利用不充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；反之，如果磁通太强，则处于过励磁状态，励磁电流变大，电动机的铁损耗增加，为使电动机不过热，负载能力也要下降。&&&&&&&&主磁通是定、转子合成磁通势产生的，为了使电动机的气隙磁通保持恒定，应当在变频的同时，使定子的感应电动势与频率成正比率的变化。&&&&&&&&由电动机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为E1=4.44KN1f1NΦm（3-4）式中，E1为定子每相电动势的有效值；f1是定子频率；N为定子绕组的有效匝数；Φm为每极级磁通。&&&&&&&&由上式可见，磁通Φm的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制就可以使气隙磁通Φm保持额定值不变。&&&&&&&&下面分两种情况说明。&&&&&&&&3.2.1在基频以下调速基频以下的恒磁通变频调速，这是考虑从基频(电机额定频率f1N)向下调速的情况。&&&&&&&&为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通Φm不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。&&&&&&&&这种控制又称作恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。&&&&&&&&但是E1难于直接检测和直接控制。&&&&&&&&当E1和f1的值较高时定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可以近似低保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1=E1，保持U1/f1=常数即可。&&&&&&&&这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。&&&&&&&&当频率降低时U1和E1都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。&&&&&&&&这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。&&&&&&&&如图3-2所示，其中OA为U1/f1=C时的电南京工程学院毕业设计说明书（论文）8压、频率关系，OB为有电压补偿时(近似E1/f1=C)的电压。&&&&&&&&3.2.2在基频以上调速基频以上的弱磁变频调速，这是考虑由基频开始向上调速的情况。&&&&&&&&让频率f1从基频f1N往上调时，不可能继续保持E1/f1的值不变，因电压U1不能超过额定电压U1N。&&&&&&&&这时，只能保持电压U1不变，其结果是：使气隙磁通最大值Φm随频率升高而降低，电动机的同步转速升高，最大转矩减少，输出功率基本不变。&&&&&&&&所以，基频以上调速相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速，其机械特性如图3-3所示。&&&&&&&&图3-2交流电动机变频调速的图3-3交流电动机基频以上恒压频比控制特性调速的机械特性如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质，而在基频以上，基本属于“恒功率调速”。&&&&&&&&3.3交-直-交变频装置3.3.1变频器基本结构变频器的主要任务就是把恒压恒频的交流电转换成变压变频的交流电，以满足交流电动机变频调速的需要。&&&&&&&&交-直-交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经逆变器将直流变换成调压调频的交流电，这种变频器虽然多了一个中间直流环节，但输出交流电的频率可高于电网频率。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）9这种控制方式中，调压与调频分别在两个环节上进行，现在普遍采用不可控整流器，用PWM逆变器同时调压调频的交-直-交变频器结构如图（3-4）所示：图（3-4）交-直-交变频器的基本结构上图为交-直-交电压源型IGBT功率变换器，图中，整流桥UR是由二极管组成的三相桥式不可控整流电路，逆变桥UI是由IGBT组成的三相桥式电路。&&&&&&&&&&&&&&&&1、整流器电源侧的变流器是整流器，它的作用是把三相交流整流成为直流。&&&&&&&&2、逆变器负载侧的变流器为逆变器，最常见的结构形式是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路。&&&&&&&&有规律地控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。&&&&&&&&3、中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。&&&&&&&&无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。&&&&&&&&因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的变换。&&&&&&&&这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容或电抗器）来缓冲。&&&&&&&&所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。&&&&&&&&变频器的整流器采用不可控的二极管桥式电路，变频器的输出频率和输出电压的调节均通过逆变器按PWM的方式来完成。&&&&&&&&PWM控制方法，就是把输出电压的周波分割成多个脉冲，通过合理的控制其中每个脉冲的宽度，去控制输出电压的波形、频率及其基波幅值。&&&&&&&&图（3-4）所示的电压型SPWM变频器有如下优点：&&&&&&&&（1）可以实现由逆变器自身同时完成调频和调压的任务，使线路简化，可实现小型化并降低成本。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）10(2)输出电压的谐波含量可以极大地减少，特别是可以减小和消除某些较低次谐波。&&&&&&&&减小了电动机的谐波损耗和减轻了转矩脉动。&&&&&&&&即使在很低的转速下，也可以实现平稳运转。&&&&&&&&(3)由于主开关器件的开关频率足够高，可以减小乃至消除电磁噪音实现静噪。&&&&&&&&3.3.2变频器的分类图3-5给出了交-直-交变频装置的主要构成环节，按照不同的控制方式，它又可分为图3-6中的(a)、(b)、(c)三种。&&&&&&&&图3-5变频装置(交-直-交)图3-6间接变频装置各种结构形式(a)可控整流器变压、六拍变频器变频；(b)不控整流、斩波器变压、六拍变频器变频；(c)不控整流、PWM变频器变压变频&&&&&&&&1、可控整流器变压、变频器变频。&&&&&&&&该方式的调压和调频分别在两个环节上进行且在控制电路上要协调配合。&&&&&&&&这种装置结构简单、控制方便，输出环节用由晶闸管(或其他电子器件)组成的三相六拍逆变器(每周环流6次)构成，但由于输入环节采用可控整流器，在低压深控时电网端的功率因数较低，还将产生较大的谐波成分，一般由于电压变化不太大的场合。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）112、直流斩波器调压、变频器变频。&&&&&&&&该方式采用不可控整流器，保证变频器的电网侧有较高的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成电压调节。&&&&&&&&这种调压方法有效地提高了变频器电网侧的功率因数，并能方便灵活地调节电压，但增加了一个电能变换环节(斩波器)，使主电路和控制电路复杂，该方法仍存在谐波较大的问题。&&&&&&&&3、变频器自身调压、变频器变频。&&&&&&&&该方式采用不可控整流器，通过变频器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。&&&&&&&&改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的，这种方法称为脉宽调制(PulseWidthModulationPWM)。&&&&&&&&因该方式采用不可控整流，功率因数较高，且用PWM逆变，谐波可以大大减少。&&&&&&&&谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制，若仍采用普通晶闸管，开关的频率并不能有效的提高，只有采用全控型器件，开关频率才能得以大大提高，可以得到非常逼真的正弦波输出波形，因而又称为正弦波脉宽调制(SPWM)变频器，该变频器将变频和调压的功能集于一身，主电路不用附加其他装置，结构简单、性能优良，已成为当前最有发展前途。&&&&&&&&3.3.3变频器的原理交-直-交变频器的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变频率的交流电，由于采用微处理器的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速，利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）12第四章脉宽调制控制技术所谓正弦脉宽调制就是把一个正弦波分成N个等幅而不等宽的方波脉冲，每一个方波的宽带与其所对应的正弦波的值成正比，这样就产生了与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波，由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，逆变器输出脉冲的幅值就等于整流器的输出电压值。&&&&&&&&当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应与逆变器的输出电压波形相似。&&&&&&&&4.1正弦脉宽调制(SPWM)变频调速原理SPWM变频调速是交流调速系统中较为常用且较为有效的一种调速方式。&&&&&&&&根据采样控制理论中冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。&&&&&&&&其中，冲量是指窄脉冲的面积。&&&&&&&&将如图5-2（a）所示正弦半波分成N等份，就可把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲所组成的波形。&&&&&&&&这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变换。&&&&&&&&如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不是等宽的矩形脉冲序列和相应正弦部分面积（冲量）相等，就可得到图5-2（b）所示的脉冲序列。&&&&&&&&这就是PWM波形。&&&&&&&&可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。&&&&&&&&根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。&&&&&&&&对于正弦半波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）13图5-2PWM控制基本原理示意图这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各功率开关器件通断的依据。&&&&&&&&但经常使用的方法是采用“调制”的方法。&&&&&&&&以所希望的波形（在这里是正弦波）作为调制波，而受它调制的信号成为载波。&&&&&&&&在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角形是上下宽度线性对称的波形，当它与一个正弦波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲。&&&&&&&&正弦波脉宽调制(SPWM)产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲序列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。&&&&&&&&在实行SPWM脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下:&&&&&&&&1、同步调制在同步调制方式中，载波比N等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。&&&&&&&&如果取N为3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120。&&&&&&&&的对称关系。&&&&&&&&当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。&&&&&&&&2、异步调制异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。&&&&&&&&一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。&&&&&&&&这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。&&&&&&&&异步调制方式的缺点是当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。&&&&&&&&3、分段同步调制分段同步调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N取大些，一般大致按等比级数安排。&&&&&&&&4.2SPWM的数字控制南京工程学院毕业设计说明书（论文）14数字控制是SPWM目前常用的方法。&&&&&&&&可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令查表得到数据进行运算；或者通过软件实时生成SPWM波形；也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。&&&&&&&&下面介绍两种常用SPWM波形的软件生成方法：4.2.1自然采样法自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,按照它们的交点进行脉冲宽度与间歇时间的采样，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。&&&&&&&&如图4-2所示，图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。&&&&&&&&交点A是发生脉冲的时刻，B点是结束脉冲的时刻。&&&&&&&&Tc为三角载波的周期；t1和t3是间歇时间；t2为AB之间的脉宽时间。&&&&&&&&Tc=t1+t2+t3图4-2生成SPWM波形的自然采样法南京工程学院毕业设计说明书（论文）15若以单位量1表示三角载波的幅值Ulm，则正弦调制波的幅值就是调制M，正弦波可写作uM=Msin?1t（4-1）式中，?1是调制波频率，即逆变器输出频率。&&&&&&&&4.3.2规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样.规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。&&&&&&&&规则采样SPWM控制算法的仿真研究：这里用MATLAB来仿真实用的规则采样SPWM控制算法，由于在SimPowerSystem中没有相应的PWM仿真模块，所以要自行建立规则采样SPWM控制仿真模块，图4-3是模块的结构。&&&&&&&&图4-3规则采样SPWM控制仿真模块在图4-8表示的模块中，PulseGenerator产生采样脉冲，一个脉冲周期南京工程学院毕业设计说明书（论文）16对应于一个规则采样周期，counter是计数器，对脉冲的个数进行计数。&&&&&&&&采样脉冲的总个数与常数0.5相加，可以保证在每个采样周期的中点进行采样。&&&&&&&&采样脉冲的总个数乘以脉冲周期与连续时间的差值可以得出每个采样周期内的定时基。&&&&&&&&图4-4是用规则采样控制仿真模块仿真得出的SPWM信号波形图。&&&&&&&&图4-9用规则采样控制仿真模块仿真得出的SPWM信号波形图4.4SPWM逆变器如图5-3中SPWM三相逆变器主电路由六个全控式功率开关器件构成三相逆变桥，它们各有一个继流二极管反并联结，整个逆变器由三相不可控整流器提供电压为Ud的直流电压。&&&&&&&&若有同一桥臂上下两个开关交替地导通与关断，则输出脉冲在“+”和“－”之间变化，这样得到双极式的SPWM波形。&&&&&&&&图5-3SPWM三相逆变器主电路图5-3所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波C为载波，正弦波M为调制波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制南京工程学院毕业设计说明书（论文）17功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲。&&&&&&&&SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。&&&&&&&&逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断。&&&&&&&&当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。&&&&&&&&但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。&&&&&&&&图5-4双极型脉宽调制波形南京工程学院毕业设计说明书（论文）18第五章转速开环变频调速仿真系统的设计5.1变频调速仿真系统的建立图5-1是在Simulinks环境下建立的变频调速系统仿真模型框图。&&&&&&&&在图5-1中，包括了三相异步电动机的模型Motor、脉宽调制控制电路的模型PWMGenerator、逆变器的模型IGBTInverter、电动机的控制变量的测量输出装置Demux。&&&&&&&&图5-1在Simulinks环境下建立的变频调速系统仿真模型框图交流变频调速系统中主要环节是变频器的设计，如图(5-1)所示，变频调速系统仿真模型中交-直-交变频器，它的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变频率的交流电，由于采用微处理器的正弦脉宽调南京工程学院毕业设计说明书（论文）19制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速，利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点。&&&&&&&&5.2转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真设计5.2.1交流电动机减压软启动设计在有限容量的供电系统中较大容量的交流电动机起动时，由于起动电流过大，会引起电网电压突然下降(瞬时电压动态降落)，而影响其他用电设备的正常工作。&&&&&&&&所以一般较大容量的交流电动机起动都采用某一种(减压或减频)起动方式，以减小起动电流，但还要保证有足够大的起动转矩。&&&&&&&&传统的减压起动方法有星-三角换接起动和自耦变压器降压起动等。&&&&&&&&现在应用晶闸管交流调压原理的软起动器已经大量面市，晶闸管软起动器可以通过电压的调节，限制起动电流，并且使电动机有较大的起动转矩，在起动结束后再经过接触器切除软起动器，让电动机直接连接三相电源完成启动过程。&&&&&&&&软起动电路由三相晶闸管调压电路和软起动控制器(给定积分器)，触发器等组成，起动时通过控制器使晶闸管控制角从大到小变化，而电动机电压从小到大逐次上升。&&&&&&&&仿真电路如图5-2所示。&&&&&&&&通过仿真可以研究软起动器的控制曲线、电流限制效果和电动机转矩的情况。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）20图5-2交流电动机软起动模型的仿真模型在模型中，异步电动机模块使用模型的蕴含参数，三项电阻Ra、Rb、Rc仅是为检测交流调压器输出的相电压而设置的，通过多路检测器(Multimeter)检测电阻两端电压来观察交流调压器输出电压波形。&&&&&&&&模型的控制部分由Step、GI和Fen三个模块组成。&&&&&&&&其中Step给出阶跃起动信号，GI模块用于设定起动曲线函数,Fen用于使控制信号与触发器输入信号要求相匹配。&&&&&&&&给定积分GI分支模块的构成如图5-3所示。&&&&&&&&其中放大器(Gain)的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取大些。&&&&&&&&限幅器(Saturaction)用于设定时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率。&&&&&&&&晶闸管三相调压器给电动机供电时，晶闸管控制角的移相范围受一定限制，当控制角较大时，调压器失去调压作用，调压器输出全电压。&&&&&&&&图5-3给定积分GI分支模块南京工程学院毕业设计说明书（论文）21利用该交流电动机软起动模型对电动机空载起动过程进行仿真，并与电动机全压直接起动相比较，如图5-4所示可以看到，采用软起动方式，电动机的起动电流显著减小，而全压起动的起动时间短，软起动达到额定转速的时间要长，但是起动过程更平稳。&&&&&&&&a)b)南京工程学院毕业设计说明书（论文）22c)图5-4交流电动机软起动仿真图a)软起动电动机输入电压有效值b)软起动电流瞬时值c)软起动电动机转速变化过程5.2.2交流变频调速系统的仿真控制转速开环恒压频比控制是交流电机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。&&&&&&&&采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本恒定，在形同转矩条件下电动机的转差率基本不变，所以电动机有较硬的机械特性，使电动机有较好的调速性能。&&&&&&&&但是如果频率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动机难以保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。&&&&&&&&为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，需要进行低频电压补偿，在低频时适当提高定子电压，使电动机仍有较大的转矩。&&&&&&&&恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图（5-5）所示，系统由升降速时间设定、U/f曲线、SPWM调制和驱动等环节组成。&&&&&&&&其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速南京工程学院毕业设计说明书（论文）23上升过快而造成电流和转矩的冲突击，起软起动控制的作用。&&&&&&&&U/f曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变（U/f=常数），并在低频时进行适当的电压补偿。&&&&&&&&SPWM和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。&&&&&&&&图5-5恒压频比变频调速系统原理图控制单元说明:&&&&&&&&1、转速给定积分环节（GI）设置目的：将阶跃给定信号转变为斜坡信号，以消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使系统中的电压、电流、频率和电动机转速都能稳步上升或下降，以提高系统的可靠性及满足一些生产机械的工艺要求。&&&&&&&&2、函数发生器（U/f特性）设置目的：实现Us/fs=C的控制方式。&&&&&&&&前面讨论过，在变压变频调速系统Us=f(fs),即电动机定子电压是定子频率的函数。&&&&&&&&函数发生器就是根据给定积分器输出的频率信号，产生一个对应于定子电压的给定信号，以实现电压、频率的协调控制。&&&&&&&&变频器中以下几项内容与函数发生器有关：&&&&&&&&（1）按照不同负载要求设定不同的Us/fs=C特性曲线。&&&&&&&&(2)当变频器高于基频工作时，采用恒功率控制，这就要保证变频器输出电压不能高于电动机的额定输入电压，可通过Us/fs=C函数发生器的输出限幅来保证。&&&&&&&&(3)节能控制：电动机处于轻载工作时，适当降低电压，可以使输出电流下降，减小损耗，可通过改变Us/fs=C曲线的斜率来实现。&&&&&&&&3、电流限制调节器由于本系统没有电流闭环控制，不能直接控制变频器输出电流。&&&&&&&&当负载加重或电动机堵转时，输出电流超过设定的最大电流Ismax*后，如果电流进一步增加或长期工作，会损坏变频器和电动机。&&&&&&&&为了避免这一现象南京工程学院毕业设计说明书（论文）24的发生，当Isf&Ismax*时，通过降低变频器输出电压的方法，来减小变频器输出电流。&&&&&&&&因此电流限制调节器的作用是，在IsfIsmax*时，电流限制调节器有相应的输出，使变频器输出电压降低，保证变频器输出不发生过电流。&&&&&&&&4、I*R补偿环节在低频时，为了保证磁通恒定，变频器引入了I*R补偿环节，根据负载性质及负载电流值适当提高Usg，修正Us/fs=C特性曲线,达到使Us/fs=C。&&&&&&&&5、转差补偿环节由于是开环频率控制，调速系统的机械特性较软，为了提高机械特性硬度，在系统中设置了转差补偿环节，转差补偿机理可以按图5-6所示来解释。&&&&&&&&当负载由TL1增大到TL2时，电动机转速由n1降到n2，转差由△n1增加到△n2，其差值为△n2-△n1=△n。&&&&&&&&按△n值相应提高同步转速ns(由ns1提高到ns2)，使其机械特性曲线ns1平行上移得到机械特性曲线ns2，与n1（直线）相交于A2点，从而使n1保持不变，达到补偿转差的目的，这样在电动机运行中，当负载增加时，也能做到维持转速基本不变。&&&&&&&&图5-6转差补偿图解6、SPWM生成SPWM生成环节与光耦驱动电路框图如图5-7所示。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）25图5-7SPWM生成环节及光耦驱动电路框图7、主电路交-直-交电压源型IGBT功率变换器电路如图5-8所示。&&&&&&&&图中，整流桥UR是由二极管组成的三相桥式不控整流电路，逆变桥UI是由IGBT组成的三相桥式电路。&&&&&&&&图5-8电压源型IGBT-SPWM交-直-交变频器主电路8、电流实际值检测电流实际值检测主要用于输出电压的修正和过流、过载保护。&&&&&&&&通过检测变频器输出电流，进行过流、过载计算，当判断为过流、过载后，发出促发脉冲封锁触发器，停止变频器运行，确保变频器和电动机的安全。&&&&&&&&5.2.3交流变频调速系统的仿真步骤转速开环变频调速系统的仿真模型如图5-5所示。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）26图5-5转速开环变频调速系统的仿真模型图中逆变器、电动机、SPWM生成等主要模块提取路径见表5-1。&&&&&&&&表5-1转速开环变频调速系统模型模块提取路径模块名称标识名称提取路径南京工程学院毕业设计说明书（论文）27交流异步电动机asmotorPowersystemblockset/Machine/Asynchronous电动机测量单元MachinemeasurementPowersystemblockset/Machine/MeasurementDemux逆变器SPWMBridgePowersystemblockset/PowerElectronice/UniversalBridge频率给定fHzSimulink/source/constant取整数IntegerSimulink/functions/MATLABFcnSPWM生成PWMGeneratorPowersystemblockset/ExtraLibrary/controlblocks/PWMgeneratorV—FFcnSimulink/functions/Fcn三相调制正弦信号ua、ub、ucSimulink/functions/Fcn三相信号合成DemuxSimulink/signals/Mux多路测量仪MultimeterSimPowerSystems/ApplicationLibraries/mearsurements有效值测量RMSSignalProcessingBlockset/SignalManagement/Statistics利用SIMULINK环境仿真变频调速系统的过程可以分为如下几个步骤：&&&&&&&&1、根据要仿真的系统框图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型。&&&&&&&&此过程要首先打开SIMULINK窗口和浏览器，将需要的典型环节模块(如表5-1南京工程学院毕业设计说明书（论文）28所示)提取到仿真平台上,然后将平台上的模块一一连接,形成仿真的系统框图如图5-5所示。&&&&&&&&2、设置模块参数：完成模块提取和组成仿真模型后,需要给各个模块赋值。&&&&&&&&这时,用鼠标双击模块图标,弹出模块参数对话框,并在对话框中输入模块参数,输入完成后点击OK按钮,对话框自动关闭,该模块的参数设置完成。&&&&&&&&3、设置仿真参数在对绘制好的模型进行仿真前,还需确定仿真的步长、时间和选取仿真的算法等，也就是设置仿真参数。&&&&&&&&设置仿真参数可点击SIMULINK窗口的菜单上的Simulation，在下拉的子菜单中点击SimulationParameters命令或用键盘中的Ctrl+E键。&&&&&&&&这时弹出仿真参数设置的对话框。&&&&&&&&对话框中有Solver、WorkspaceI/ODiagnostics、Advanced和Real-TimeWorkshop5大项内容，其中最常需设置的是解算器“Solver”。&&&&&&&&4、启动仿真：在模块参数和仿真参数设置完毕后即可以开始仿真，在Simulation菜单的子菜单中点击“Start”或用键盘中的Ctrl+T键即可进入仿真。&&&&&&&&5、观测仿真结果：在模型仿真计算完毕后重要的是观测仿真的结果，在SIMULINK中最常用的观测仪器是示波器(Scope)，这时只要双击该示波器模块就可以打开示波器观察到以波形表示的仿真结果。&&&&&&&&5.2.4变频调速仿真系统模块参数设置&&&&&&&&1、SPWMGenerator模块参数：&&&&&&&&（1）GeneratorMode。&&&&&&&&指明产生的脉冲的路数，这主要取决于控制的逆变器的类型，单项T型电路包含一个桥臂，相应地需要PWMGenerator模块产生两路脉冲；单相H型电路包含两个桥臂，相应地需要产生4路脉冲；三相逆变器包含三个桥臂，相应地需要产生6路脉冲。&&&&&&&&PWMGenerator模块最多可以控制两个三相逆变器，这时需要产生12路脉冲。&&&&&&&&该仿真系统中选择6路脉冲。&&&&&&&&(2)Carrierfrequency(Hz)。&&&&&&&&选择三角载波信号的频率。&&&&&&&&该仿真系统中载波频率为1500Hz。&&&&&&&&(3)Internalgeneratorofmodulatingsignal。&&&&&&&&如果选择了这项，调制信号将由模块内部产生，否则调制信号由模块外部产生。&&&&&&&&该系统中调制信号由外部产生，不需选择这项。&&&&&&&&(4)generationModulationindex(0&m&1)。&&&&&&&&选择调制比m，用来控制输出的电压基波信号的幅值。&&&&&&&&只有当选择了Internalgenerationofmodulatingsignal，南京工程学院毕业设计说明书（论文）29才需要选择这一项。&&&&&&&&(5)Frequencyofoutputvoltage。&&&&&&&&选择输出基波电压的频率，实际就是选择调制函数的频率。&&&&&&&&只有当选择了Internalgenerationofmodulatingsignal，才需要选择这项。&&&&&&&&脉冲宽度调制器的仿真模块可以在SimPowerSystems中调用，在图5-1中就调用了DiscretePWMGenerator模块。&&&&&&&&图5-2SimPowerSystems中的DiscretePWM模块的内部结构。&&&&&&&&图5-2DiscretePWMGenerator模块可以看出DiscretePWMGenerator模块纯粹是由Simulinks中的模型构成的，其产生PWM信号的原理使用三相正弦调制信号与三角波载波信号进行瞬时值的比较，显然这是纯原理性的PWM算法。&&&&&&&&如果需要研究其他的PWM算法，需要自己另外构造相应的模块。&&&&&&&&2、逆变器模块参数：&&&&&&&&（1）PowerElectronicdevice=IGBT/Diodes。&&&&&&&&(2)Portconfiguration=ABCasoutputterminals。&&&&&&&&(3)SnubberRs=le5,Cs=eps。&&&&&&&&(4)Ron=le–3。&&&&&&&&(5)Tail：Tf=le–6s；Tt=2e–6s。&&&&&&&&在第&&&&&&&&（1）项中设置逆变器中开关元件的类型，在这里设置为IGBT/Diodes，开关器件是IGBT，Diodes是续流元件。&&&&&&&&在第(2)项中设置三相桥式电路的结构类型，将ABC做为输出端，三相桥式电路就成为将直流电压逆变为交流电压的逆变器。&&&&&&&&如果将ABC作为输入端，南京工程学院毕业设计说明书（论文）30就成为整流器。&&&&&&&&逆变器模型中包括了开关元件的缓冲电路，第(3)项就是设置阻容缓冲电路的电阻和电容值。&&&&&&&&作为特殊情况，如果把Cs值设置为无限大inf，就相当于短路，缓冲电路为纯电阻电路。&&&&&&&&如果把Cs值设置为MATLAB中的机器零eps，就相当于开路，事实上取消了缓冲电路。&&&&&&&&对于IGBT构成的逆变器电路，一般不需要缓冲电路，因此应当把Cs值设置为MATLAB中的机器零eps。&&&&&&&&第(4)项设置开关管的导通电阻。&&&&&&&&第(5)项设置开关管的开关时间。&&&&&&&&逆变器模块中的端口Pulses是脉冲控制信号的输入端，脉冲宽度调制器产生的脉冲从这里输入到逆变器中去。&&&&&&&&逆变器中的直流母线电压可以通过调入直流电压源模块来设置。&&&&&&&&3、相异步电动机的模块参数：三相异步电机的仿真模块Motor的原形是SimPowerSystems中的AsynchronousMachineSIUnits模块；电机模块可以按照电动机的模式工作，也可以按照发电机的模式工作，这由输入的转矩Ts来区分，当Tm为正时，工作在电动机状态，当Tm为负时，工作在发动机状态。&&&&&&&&三相异步电动机是一种机械电气一体化的系统，其仿真数学模型的电气部分一般可由4阶状态方程描述，机械部分可由2阶段状态方程描述。&&&&&&&&SimPowerSystems中的AsynchronousMachineSIUnits模块也是依照这种方式建立的。&&&&&&&&这里从应用的角度介绍电机模块的参数设置。&&&&&&&&三相异步电机模型包括如下参数：&&&&&&&&（1）RotorType。&&&&&&&&选择电机的转子类型，三相异步电机的转子有绕线转子和笼形转子两种，可以在这一项里选择。&&&&&&&&该仿真系统中选择Squirrel-cage。&&&&&&&&(2)ReferenceFrame。&&&&&&&&选择电机数学模型的参照坐标系，可以选择定子坐标系、转子坐标系或同步坐标系。&&&&&&&&参照坐标系俄不同，会影响仿真的速度，在一定的情况下还会影响仿真的速度，在一定的情况下还会影响仿真的精度。&&&&&&&&一般来说如果定子电压不是连续的，或者是不平衡的，而转子电压是平衡的，应当选者定子坐标系。&&&&&&&&如果转子电压是是不连续的，或者是不平衡的，而定子电压是平衡的，应当选择转子坐标系。&&&&&&&&如果定子、转子的电压都是连续的并且是平衡的，选择定子坐标系或者同步坐标系都可。&&&&&&&&逆变器供应的三相笼形南京工程学院毕业设计说明书（论文）31异步电动机，定子电压是不连续的，而转子电压是零，因而应当选用定子坐标系。&&&&&&&&(3)NomPower，L—LVoltandfreq。&&&&&&&&在这一项中，设置电机的额定功率、额定线电压和额定频率。&&&&&&&&该仿真系统中设置为3*746w、350v和50Hz。&&&&&&&&(4)Stator。&&&&&&&&在这一项中，设计电机的定子内阻和电感。&&&&&&&&(5)Rotor。&&&&&&&&在这一项中，设计电机的转子内阻和电感。&&&&&&&&(6)MutualInductionLm。&&&&&&&&在这一项中，设计电机的互感。&&&&&&&&(7)Inertia，frictionfactorandpairsofpole。&&&&&&&&在这里设置转动惯量、摩擦系数和电机的磁场极对数。&&&&&&&&4、电动机测量模块电机中的一系列变量包括定、转子电压，定、转子电流，电磁转矩、转速、转角、磁通等都可以经过选择而测量出来。&&&&&&&&Demux模块就是用来选择被测变量的。&&&&&&&&5、函数发生器参数：转速开环变频调速系统中给定积分器的模型与图（5-5）相同，设定恰当的积分时间常数可以控制频率上升的速率，从而设定电动机的起动时间。&&&&&&&&在给定积分器的后面插入了一个取整环节（integer）,使频率为整数。&&&&&&&&V—F（见图6-7）曲线（即图6-8中的U/f曲线）由函数发生器Fcn产生，根据频率确定相应的电压值，其函数表达式为U=UN/fN*f+U0图5-6U-f曲线式中，Un为电动机额定电压，fn为电动机额定频率，U0为初始电压补偿值。&&&&&&&&电压U、频率f、时间t经汇总为一维矢量x=[u&&&&&&&&（1）,u(2),u(3)]，其中的u&&&&&&&&（1）、u(2)、u(3)依次表示电压、频率和时间。&&&&&&&&函数模块ua、ub、uc分别用于产生三相调制信号ua、ub、uc，即南京工程学院毕业设计说明书（论文）32ua=u&&&&&&&&（1）*sin[2*pi*u(2)*u(3)]ub=u&&&&&&&&（1）*sin[2*pi*u(2)*u(3)-2*pi/3]uc=u&&&&&&&&（1）*sin[2*pi*u(2)*u(3)-4*pi/3]根据三相调制信号，由PWM发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定要求起动和运行。&&&&&&&&模型中的其它参数设定见表5—2。&&&&&&&&表5—2转速开环变频调速系统模型参数模块参数设置值模块参数设置值给定积分器GainLe4逆变器直流侧电压514VSaturation±10取整integerRoundPWM发生器载波频率1500Hz仿真算法Ode23tb仿真精度le-35.3变频调速系统仿真波形分析在给定频率50Hz，起动时间为5s的情况下，仿真结果如图5-7所示。&&&&&&&&其中5-7a所示为经积分过后的频率波形，5-7b所示为函数发生器Fcn产生的电压，通过给定积分器来设定升降速时间，从而限制电动机的升频速度，a)图中是由零逐渐上升到50Hz的频率呈阶梯波，趋近于斜波。&&&&&&&&b)图利用U/f曲线来根据频率确定的相应的电压，保持压频比不变(U/f=常数)。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）33a)b)南京工程学院毕业设计说明书（论文）34c)图c)是由电压、频率和时间等矢量通过函数模块ua产生的三相调制信号ua。&&&&&&&&可以看出该调制波为正弦波,受它调制的信号为载波。&&&&&&&&即由PWM发生器来产生逆变器驱动脉冲。&&&&&&&&图d)是经逆变器得到的频率和幅值可调的三相电压，可使交流电动机按给定要求起动和运行。&&&&&&&&图e)是电动机输出的一相线电压(有效值)，从图中可看出电动机电压基本按U-f曲线的设定上升南京工程学院毕业设计说明书（论文）35d)d)线电压ubce)线电压有效值Ubcf)输出电流ia南京工程学院毕业设计说明书（论文）36g)转矩h)转速图5-7转速开环变频调速系统的仿真结果从图中可以看出电动机电压基本按照U-f曲线的设定上升，但是起动中转速和转矩的波动很大.频率取整运算，在频率变化的边界上，正弦信号和转速都发生了畸变，这是因为频率变化的时刻不一定发生在调制信号一个完整周期南京工程学院毕业设计说明书（论文）37的末尾，在调制正弦信号一个周期尚未结束时，频率发生变化就可能使得下一个周期信号的前半周变宽或变窄，使相应的一周期频率减小或增大.本仿真起动时间设定为6秒，如果设定过小，不但不能达到额定转速，而且在正弦一周内发生多次频率变化，还可以出现增频现象，使得逆变器输出频率超过设定频率(50Hz)，电动机转速出现超调.从而验证了采用等时间间隔的升频过程难以完全避免输出电压周期不规则的现象，工程上所谓的“调频”现象.南京工程学院毕业设计说明书（论文）38第六章交流电机矢量控制调速系统仿真设计6.1异步电机矢量控制变频调速原理根据矢量控制理论,在分析异步电机数学模型条件下,遵循在不同坐标系下所产生的磁动势完全一致的原则,经过三相-两相变换和旋转变换,将异步电机定子电流空间矢量进行分解,在转子磁场定向坐标系(M-T)中将异步电机模型转换为直流电机模型来进行控制。&&&&&&&&在M-T坐标系中电机数学模型由如下方程组成:电压方程(6-1)磁链方程(6-2)转矩方程：Te=npLm(istim-imirt)(6-3)运动方程：(6-4)式中Rs，Rr分别为定子、转子电阻；Lm,Ls，Lr分别为互感、定子自感、转子自感；usm,ust为定子电压矢量的M分量和T分量；ism,ist为定子电流的M、T分量；ψrm,ψrt为转子M-T轴磁链,理想矢量控制下,由于M轴固定在转子磁链矢量上,因此磁链的M轴分量等于转子磁链幅值,T轴分量为零,既有ψrm=ψ,ψrt=0；nP为磁极对数,ωr为转子机械转速；J为机组转动惯量；Te和Tl分别为电磁转矩和负载转矩,D为与转速成正比的阻转矩阻尼系数。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）39以同步转速ω1旋转的转子磁场定向M-T坐标系中,ωs为转差角速度,由以上方程整理得到矢量控制基本方程式为:(6-5)(6-6)(6-7)由(6-5)式和(6-7)式可以看出,转子磁链只由定子电流励磁分量ism决定,当转子磁链达到稳态并保持不变时,电磁转矩只由定子电流转矩分量ist决定,此时磁链与转矩分别由ism和ist独立控制,实现了磁链和转矩的解耦,只要根据被控系统的性能要求合理确定ism*和ist*,就能实现转矩的瞬时控制和转速的高精度跟踪。&&&&&&&&转速参考值ωr与光电编码器实测的转速之差输入到转速控制器,得到转矩指令值Te*,定子电流的励磁分量ism*由ism*计算模块给出,转矩分量ist*由转矩指令值T*和磁链估算值ψ计算出,ism*和ism*经过逆旋转变换和两相-三相变换,获得定子电流指令值,与霍尔传感器检测出的三相实测电流作为电流滞环控制器的输入,产生PWM逆变器的触发信号,控制电机运行。&&&&&&&&6.2异步电机矢量控制变频调速系统的仿真模型矢量控制变频调速系统的仿真模型如图6-1所示。&&&&&&&&系统由异步电机与逆变器、电流滞环控制器、转速控制器、坐标变换、磁链观测器和信号测量等子模块组成。&&&&&&&&6.2.1异步电机与逆变器模块。&&&&&&&&异步电机与逆变器模块的封装结构如图6-2所示。&&&&&&&&其中交流电机模块选用SimPowerSystems库中的AsynchronousMachineSIUnits构成。&&&&&&&&该模块的选项可设置在任意坐标系,包括两相静止坐标系(Station-ary)、转子坐标系(Rotor)和同步旋转坐标系(Synchronous)下的绕线式(wound)或鼠笼式(Squirrel-cage)的异步电机。&&&&&&&&本文选择在同步旋转坐标系下建立鼠笼式电机的数学模型,模块的A、B、C是异步电机三相定子绕组输入端,与IGBT逆变器的输出端相连,构成由电压型逆变器变频驱动的异步电机子模块。&&&&&&&&逆变器模块由6个IGBT功率管构成,由SimPowerSys-tems中的PowerElectronicsde库的IGBT模块构成,逆变器的输入pulses端为6路PWM控制信号,完南京工程学院毕业设计说明书（论文）40成功率变换及调节功能,直流母线电压由逆变器模块的‘+’、‘—’两端输入。&&&&&&&&Tm为负载接入端,用于对电机进行加载实验。&&&&&&&&图6-1异步电机矢量控制变频调速系统的仿真模型图6-2电机与逆变器模块南京工程学院毕业设计说明书（论文）416.2.2电流控制器模块。&&&&&&&&电流滞环控制器模块的实现如图6-3所示。&&&&&&&&该模块由三个滞环控制器(Relay)和三个逻辑非运算器(Logicaloperator)组成。&&&&&&&&模块将三相指令电流值和三相实测电流值作为输入,输出是6路IGBT逆变器控制信号。&&&&&&&&其中&&&&&&&&1、3、5与2、4、6路信号互补。&&&&&&&&对输入信号两者进行比较,输出逻辑0或逻辑1。&&&&&&&&当实际电流低于参考电流,且差值大于Relay滞环宽度时,输出为1,逆变器对应相正相导通,负相关断；当实际电流高于参考电流,差值小于Relay滞环宽度时,输出为0,对应相负相导通,正相关断。&&&&&&&&通过对逆变器件通与断的控制,来调节逆变器输出线电压的频率,实现变频调速。&&&&&&&&其中滞环宽度的选取是很重要的,减小滞环宽度,可以减小输出相电流的纹波,但环宽取得太小,会使功率器件的开关频率加大,引起电流超调,反而会增大跟踪误差,降低电流控制精度,故滞环宽度不能取得太小。&&&&&&&&图6-3电流控制器模块6.2.3转速控制器模块。&&&&&&&&转速控制器采用PI控制算法,获得(6-8)其结构如图6-4所示,其中积分器采用离散时间积分器,Kp与Ki分别为比例增益系数和积分增益系数。&&&&&&&&Satu-ration元件用于对输出转矩限幅。&&&&&&&&6.2.4坐标变换模块。&&&&&&&&&&&&&&&&1、三相-两相变换和旋转变换。&&&&&&&&坐标变换模块包括从三相静止坐标系(abc)到按转子磁场定向的旋转坐标系(M-T)的变换以及其逆变换。&&&&&&&&其中前者的变换式为南京工程学院毕业设计说明书（论文）42(6-9)(6-10)由于被控对象是三相无中线连接的鼠笼式电机,有仿真结构图如图6-4所示图6-4转速控制器模块图6-5ABC-MT坐标转换模块2、逆旋转变换和两相-三相变换。&&&&&&&&从转子磁场定向的旋转坐标系到三相静止坐标系的变换式为南京工程学院毕业设计说明书（论文）43(6-11)(6-12)仿真结果如图6-6所示图6-6MT-ABC坐标转换模块6.2.5磁链观测器模块。&&&&&&&&对于磁链开环的转差型矢量控制系统,关键问题就是能否保证转子磁链在动态过程中恒定不变,因此转子磁链观测器的估计精度很大程度上决定了调速系统的动态性能。&&&&&&&&建立在M-T坐标系上的磁链观测模块如图6-6示。&&&&&&&&该模块包括转子磁链幅值和转子磁链角两个参数的计算。&&&&&&&&将矢量控制方程式进行拉氏变换得到其中Tr=Lr/Rr为转子时间常数。&&&&&&&&这部分由增益系数模块和连续传递函数模块,获得转子磁链幅值从而求得转矩电流分量i*转子磁链角的计算公式为(6-13)式中nω为转子电气转速可直接测量。&&&&&&&&由实时计算的ψr幅值和速度信号ωr,得到磁场定向角θ,实现磁场定向。&&&&&&&&模型中常数C=1e-3,避免转子磁链初值为0时出现的奇异点发散现象,加快系统稳定。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）446.3仿真结果及分析采用上述仿真模型,对矢量控制变频调速系统进行空载变速及恒速加载运行仿真。&&&&&&&&异步电机参数如下:额定功率Pn=500W；额定相电压Vn=127V；极对数np=2；转动惯量J=0.00095kg·m2；阻尼系数D=0.1；其他参数:定子电阻Rs=4.495；转子电阻Rr=5.365；定子电感Ls=0.165H；转子电感Lr=0.162H；互感Lm=0.149H；转速控制器参数整定为Kp=2,Ki=25；电流控制器滞环宽度H=0.2A；逆变器电路直流母线电压Vdc=780V；系统中积分器的采样周期Ts=2us；转子磁链参考值ψr*=0.35Wb。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）45从上述曲线可以看出系统响应快且平稳,转速超调且稳态误差小,电流和转动点在启动过程中无冲击,机电流谐波成分少,转矩脉动小,具有瞬时响应特性,与转矩控制交频调速的理论分析是一致的。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）46第七章结论本论文所取得的成果在这次的毕业设计中深入接触了变频调速系统及MATLAB，对MATLAB的环境及仿真有了进一步的了解和应用，对变频器的结构、基本原理、功能、分类等也有了很深入的了解，此外，对变频调速系统的调速原理和控制方案也有了很好的了解。&&&&&&&&从设计过程中，可以明显的感觉到用MATLAB对变频调速系统进行仿真有很多优点：&&&&&&&&（1）MATLAB提供的动态系统仿真工具Simulink可以有效地对系统进行建模，而且仿真过程是交互的，可以随意地改变参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。&&&&&&&&另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。&&&&&&&&(2)通过多次仿真及结果比较，还可以选择最佳方案，进行系统优化设计，大大的节省实物设计的高额费用。&&&&&&&&对于某些系统（如火箭发射系统、热连轧控制系统等）直接进行物理设计和实验存在很大的危险，甚至是不允许的，而利用MATLAB软件可以有效地减少危险程度。&&&&&&&&变频调速系统的发展20世纪后半叶，变频调速技术的出现和日益完善，成为电力拖动领域的一个重大事件。&&&&&&&&由于这门技术的发展，使结构简单牢固、价格低廉、应用普及的交流异步电动机有了性能良好的调速手段。&&&&&&&&变频调速技术的应用，在我国开始得并不算晚，迄今已有约30年了。&&&&&&&&但这项技术的全面推广应用，在我国的确落后了。&&&&&&&&较大范围的推广，大约只有10余年，而且早期主要集中在节能应用领域，在更广泛领域中的推广工作，则是近几年才全面展开的。&&&&&&&&随着变频调速技术的不断发展，变频调速系统也会变得越来越完善，在以后的工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化领域会得到更广泛的应用，它为人类提供了现代化的高新技术，也提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大变化。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）47参考文献1.洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真机械工业出版社2006年。&&&&&&&&2．黄忠霖控制系统MATLAB计算及仿真（第二版）国防工业出版社2004年。&&&&&&&&3．黄忠霖控制系统MATLAB计算及仿真实训国防工业出版社2006年。&&&&&&&&4．薛定宇基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用清华大学出版社2004年。&&&&&&&&5．翁剑枫等MATLABLabVIEWSystemView仿真技术基础机械工业出版社2005年。&&&&&&&&6．翁剑枫等MATLABLabVIEWSystemView仿真技术基础机械工业出版社2005年。&&&&&&&&7．潘晓晟MATLAB电机仿真精华50例电子工业出版社2007年。&&&&&&&&8．王忠礼MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业中的应用清华大学出版社。&&&&&&&&9．尔桂花运动控制系统清华大学出版社。&&&&&&&&10．李宁陈桂运动控制系统高等教育出版社。&&&&&&&&11．AutomaticControlSystems--自动控制理论高等教育出版社。&&&&&&&&12．FeedbackControlofDyamicSystems(FifthEdition)—自动控制原理与设计(第5版)。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）48附录附录1系统原理图附录2系统彷真图南京工程学院毕业设计说明书（论文）49附录1电压源型转速开环恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统南京工程学院毕业设计说明书（论文）50附录2南京工程学院毕业设计说明书（论文）51转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真南京工程学院毕业设计说明书（论文）52附录1：英文资料BackgroundofControlTheorySystemandControlTheoryAccordingtotheEncyclopediaAmericana,asystemis“anaggregationorassemblageofthingssocombinedbynatureormanastoformanintegralandcomplexwhole”.Mathematicalsystemstheoryisthestudy,oftheinterruptionsandbehaviorofsuchanassemblageof“things”whensubjectedtocertainconditionsorinputs,Theabstractofsystemstheoryisduetothefactthatitisconcernedwithmathematicalpropertiesratherthanthephysicalformoftheconstituentparts.Controltheoryismoreoftenconcernedwithphysicalapplications.Acontrolsystemisconsideredtobeanysystemwhichexistsforthepurposeofregulatingorcontrollingorcontrollingtheflowofenergy,information,money,orotherpuantitiesinsomedesiredfashion.Inmoregeneralterms,acontrolsystemisaninterconnectionofmanycomponentsorfunctionalunitsinsuchawayastoproduceadesiredresult.Fig1isageneralrepresentationofanopen-loopcontrolsystem,Theinputcontrolu(t)isselectedbasedongoalsforthesystemandallavailableaprioriknowledgeaboutthesystem.Theinputisinnowayinfluencedbytheoutputofthesystem,representedbyy(t).Ifunexpecteddisturbancesactuponanopen-loopsystem,orifitsbehaviorisnotcompletelyunderstood,thentheoutputwillnotcompletelyunderstood,thentheoutputwillnotbehavepreciselyasexpected.Anothergeneralclassofcontrolsystemsistheclosed-looporfeedbacksystem,asillustratedinFig2.Intheclosed-loopsystem,thecontrolu(t)ismodifiedinsomewaybyinformationaboutthebehaviorofthesystemoutput.Afeedbacksystemisoftenbetterabletocopewithunexpecteddisturbancesanduncertaintiesaboutthesystem’sdynamicbehavior.However,itneednotbetruethatclosed-loopcontrolisalwayssuperiortoopen-loopcontrol.Whenthemeasuredoutputmeasuredoutputhaserrorswhicharesufficientlylarge,andwhenunexpecteddisturbancesarerelativelyunimportant,closed-loopcontrolcanhaveaperformancewhichisinferiortoopen-loopcontrol.南京工程学院毕业设计说明书（论文）53Fig1AnOpen-loopControlSystemIntroductiontoModernControlTheorySeveralfactorsprovidedthestimulusforthedevelopmentofmoderncontroltheory:(a)Thenecessityofdealingwithmorerealisticmodelsofsystems.(b)Theshiftinemphasistowardsoptimalcontrolandoptimalsystemdesign.(c)Thecontinuingdevelopmentsindigitalcomputertechnology.(d)Theshortcomingsofpreviousapproaches.(e)Arecognitionoftheapplicabilityofwell-knownmethodsinotherfieldsofknowledge.Thetransitionfromsimpleapproximatemodels,whichareeasytoworkwith,tomorerealisticmodelsproducestwoeffects.First,alargernumberofvariablesmustbeincludedinthemodel.Second,amorerealisticmodelismorelikelytocontainnonlinearitiesandtime-varyingparameters.Previouslyignoredaspectsofthesystem,suchasinteractionsandfeedbackthroughtheenvironment,aremorelikelytobeincluded.Withanadvancingtechnologicalsociety,thereisatrendtowardsmoreambitiousgoals.Thisalsomeansdealingwithcomplexsystemswithalargernumberofinteractingcomponents.Theneedforgreateraccuracyandefficiencyhaschangedtheemphasisoncontrolsystemperformance.Theclassicalspecificationsintermsofpercentovershoot,settlingtome,bandwidth,etc.,haveinmanycasesgivenwaytooptimalcriteriasuchasminimumenergy,minimumcost,andminimumtimeoperation.Optimizationofthesecriteriamakesitevenmoredifficulttoavoiddealingwithunpleasantnonlinearities.Optimalcontroltheoryoftendictatesthatnonlineartime0-varyingcontrollawsbeused,南京工程学院毕业设计说明书（论文）54evenifthebasicsystemislinearandtime-invariant.Thecontinuingadvancesincomputertechnologyhavehadthreeprincipaleffectsonthecontrolsfield.Oneoftheserelatestothegiganticsupercomputers.Thesizeandclassofproblemsthatcannowbemodeled,analyzed,andcontrolledareconsiderablylargerthantheywerewhenthefistofthisbookwaswritten.Thesecondimpactofcomputertechnologyhastodowiththeproliferationandwideavailabilityofmicrocomputersinhomesandintheworkplace.Classicalcontroltheorywasdominatedbygraphicalmethodsbecauseatthetimethatwastheonlywaytosolvecertainproblems.Noweverycontroldesignerhaseasyaccesstopowerfulcomputerpackagesforsystemanalysisanddesigner.Theoldgraphicmethodshavenotyetdisappeared,buthavebeenautomated.Theysurvivebecauseoftheinsightandintuitionthattheycanprovide.However,somedifferenttechniquesareoftenbettersuitedtoacomputer.Althoughacomputercanbeusedtocarryouttheclassicaltransform-inversetransformmethods,itisusuallymoreefficientforacomputertointegratedifferentialequationsdirectly.Thethirdmajorimpactofcomputeristhattheyarenowsocommonlyusedasjustanothercomponentinthecontrolsystem.Theircost,sizeandreliabilitymakeitpossibletousethemroutinelyinmanysystems.Thismeansthatthediscrete-timeanddigitalsystemcontrolnowdeservesmuchmoreattentionthanitdidinthepast.Moderncontroltheoryiswellsuitedtotheabovetrendsbecauseitstime-domaintechniquesanditsmathematicallanguage(matrices,linearvectorspace,etc.)putersareamajorreasonfortheexistenceofstatevariablemethods.Mostclassicalcontroltechniquesweredevelopedforlinearconstantcoefficientsystemswithoneinputandoneoutput(perhapsafewinputsandoutputs).ThelanguageofclassicaltechniquesistheLaplaceorz-transformandtransferfunctions.Whennonlinearitiesandtimevariationsarepresent,theverybasicfortheseclassicaltechniquesisremoved.Somesuccessfultechniquessuchasphase-planemethods,describingfunctions,andotheradhocmethods,havebeendevelopedtoalleviatethisshortcoming.However,thegreatestsuccesshasbeenlimitedtolow-ordersystems.Thestatevariable南京工程学院毕业设计说明书（论文）55approachofmoderncontroltheoryprovidesauniformandpowerfulmethodofrepresentingsystemsofarbitraryorder,linearor.nonlinear,withtime-varyingorconstantcoefficients.Itprovidesanidealformulationforcomputerimplementationandisresponsibleformuchoftheprogressinoptimizationtheory.Moderncontroltheoryisarecentdevelopmentinthefieldofcontrol.Therefore,thenameisjustifiedatleastasadescriptivetitle.However,thefoundationofmoderncontroltheoryistobefoundinotherwell-establishedfields.RepresentingasystemintermsofstatevariablesisequivalenttotheapproachofHamiltonianmechanics,usinggeneralizedcoordinatesandgeneralizedmomenta.Theadvantagesofthisapproachhavebeenwell-knowninclassicalphysicsformanyyears.Theadvantagesofusingmatriceswhendealwithsimultaneousequationsofvariouskindshavelongbeenappreciatedinappliedmathematics.Thefieldoflinearalgebraalsocontributesheavilytomoderncontroltheory.Thisduetotheconcisenotation,thegeneralityoftheresults,andtheeconomyofthoughtthatlinearalgebraprovides.Fig2AClosed-LoopErrors南京工程学院毕业设计说明书（论文）56附录2：英文资料翻译控制理论基础系统及控制理论按照美国大百科全书的解释，所谓系统就是指“一个各种物体的集合，根据其性质或人的愿望而结合起来的以至形成一个集中、复杂的整体”。&&&&&&&&数学中的系统理论就是这种由若干“物体”构成的集合当其受到某些条件和输入作用的影响后的行为和阻断进行研究的一门学问。&&&&&&&&系统理论的抽象性质源于这样一个事实：系统理论更关心物体组成部件的数学性质而不是其物理形式。&&&&&&&&控制理论能够通常与实际应用有关。&&&&&&&&一般认为，控制系统是任意一个这样的系统：其目的是为了以某种期望的方式来调节或控制诸如能量、信息、资金等等物理量的流动。&&&&&&&&从更一般的意义上讲，控制系统就是一个按照一定方式由很多元件或功能单元构成的结合体，其目的是为了获得期望的结果。&&&&&&&&在开环控制系统中，输入变量或控制作用u(t)是根据本系统的目标以及所有可获取的先验知识而选定的。&&&&&&&&输入变量决不会受到y(t)所表示的系统输出变量的影响。&&&&&&&&如果有不期望的扰动作用在开环系统上，或者如果其行为不能完全掌握的话，则该系统的输出就不会完全如预期般动作。&&&&&&&&另一类常见的控制系统是闭环或反馈控制系统，在闭环控制系统中，控制作用u(t)被以某种方式由与系统输出行为有关的信息所校正。&&&&&&&&一个反馈系统经常能更好地应付不期望的扰动作用以及系统动态性能的不确定性。&&&&&&&&然而，闭环控制并不一定总是优于开环控制。&&&&&&&&当输出的测量误差足够大或不期望的扰动无关紧要时，闭环控制的性能就会比开环控制的差。&&&&&&&&现代控制理论导论有几个因素激励了现代控制理论的发展：(a)处理更加真实的系统模型的必要性。&&&&&&&&(b)研究重点朝向最优势控制和最优系统设计的转移。&&&&&&&&(c)数字计算机技术的不断发展。&&&&&&&&(d)原有方法的短缺。&&&&&&&&(e)对于将熟知方法在其他知识领域中应用的广泛认同。&&&&&&&&南京工程学院毕业设计说明书（论文）57这种从简单、易用的近似模型到更加真实模型的转移产生了两个方向的影响。&&&&&&&&首先，模型中必须包含众多的变量。&&&&&&&&其次，更为真实的模型往往具有非线性和时变参数。&&&&&&&&以前往往忽略的一些系统问题，例如关联问题以及通过环境形成的反馈等，现在却需要考虑。&&&&&&&&在不断发展先进技术的社会中，朝着更加宏伟目标的发展趋势是很明显的。&&&&&&&&这也就意味着要处理具有大量相互关联部件的复杂系统。&&&&&&&&对于更加精确和更加有效的需求已经改变了对控制系统性能要求的重点。&&&&&&&&以百分超调量、调节时间、带宽等来表示的经典技术指标已经在很多场合让位于最优性准则，例如最小能耗、最低成本和最短时间操作等。&&&&&&&&依据这些准则的最优化使得想要避免处理讨厌的非线性一事变得更为困难。&&&&&&&&即使基本受系统是线性和时不变的，最优控制理论也经常规定要采用非线性、时变的控制规律。&&&&&&&&计算机技术的不断发展，已经对控制领域产生了三个方面的主要影响。&&&&&&&&影响之一与超大规模的巨型机有关。&&&&&&&&计算机技术的第二个影响与微型机在数量上的激增以及其在家庭、工作场所随处可用的便利性紧密相关。&&&&&&&&现在，每一个控制工程设计人员都很容易获得功能强大的计算机软件包，用于进行系统的分析和设计工作。&&&&&&&&老的图解方法并没有消亡，不过已经能够自动进行工作了。&&&&&&&&它们之所以依然存在的原因是其所具有的直观性和指导性。&&&&&&&&然而，一些完全不同的技术经常对计算机更加适合。&&&&&&&&尽管计算机可用于执行经典的变换-反变换运算，然而用计算机对微分方程直接进行积分则往往更加有效。&&&&&&&&第三方面计算机的影响来自于如今计算机就像在控制系统中其他常规元件应用得一样普及。&&&&&&&&计算机在成本、规模和可靠性方面的优势使其能够更普遍地应用于很多系统中。&&&&&&&&这就意味着离散时间和数字式的控制系统现在应该受到远胜于以往的重视。&&&&&&&&现代控制理论特别适用于上述的发展趋势。&&&&&&&&这是因为时间域技术及其数学表达语言（例如矩阵、线性向量空间等）在计算机上应用是非常理想的。&&&&&&&&计算机的发展也是状态变量方法之所以会产生的一个主要原因。&&&&&&&&大多数经典控制技术是带有一个输入、一个输出（也许可有数个输入和输出）的线性、常系数系统而发展起来的。&&&&&&&&经典技术的表达语言是拉普拉斯或z变换以及传递函数。&&&&&&&&一旦出现非线性和时变性，经典技术最根本的基础就不复存在了。&&&&&&&&诸如相南京工程学院毕业设计说明书（论文）58平面方法、描述函数法和其他有关方法这样一些很成功的技术能够得以发展的原因就是为了弥补这一短处。&&&&&&&&然而经典控制理论最大的成功也是局限于低阶系统中。&&&&&&&&现代控制理论的状态变量法提供了一种同意高效的方法来描述具有任意阶次、线性或非线性、时变或常系数的各种系统。&&&&&&&&它也为计算机处理提供了一种理想的表示方法，并引起了许多方面最优化理论的进展。&&&&&&&&现代控制理论是在控制领域中的新发展。&&&&&&&&因此，可以说它是名副其实。&&&&&&&&然而，现代控制理论的基础却应该在其他一些发展成熟的领域中寻找。&&&&&&&&以状态变量形式来表示一个系统的方法完全等价于在哈密尔顿力学中采用通用坐标和通用动量的方法。&&&&&&&&这种方法的优越性在经典物理学中多年来已经众所周知。&&&&&&&&当处理各种联立方程时采用矩阵的好处在应用数学领域中也已就为人知。&&&&&&&&线性代数对现代控制理论的发展更是功不可没。&&&&&&&&其原因在于线性代数所提供的简洁的表达、通用的结果以及高效的思路。&&&&&&&&
.NN.2F800.N00.N.N.N.2F800.N00.N.N06G1Z1.2F800.N00.N.N14X-114.Y-98.N
~1020℃之间。从图中还可以看出制备多孔玻璃时，1、3号样的工作窗口相对2号样宽很多，温度的可操作区间更大。结合表3.2可以看出，加入氧化钙对Y-Si-Al系统玻璃来说，可以降低基础玻璃的转变温度和析晶温度。由于氧化
筋：09.110.???????ocxsbhfM??614.11211??????????bs???，满足要求。218..1mmfbhfAyocs?????????选配mmAs??
221.240.月10日015年10月11日日015年10月13日日015年10月15日015年10月16日015年10月17
haveanotherreunion.19.Whenmykidsgetonthetrainoflife,theyhaveonlylittleluggageintheirtravellingbags.However,ifIcanleavethebeautifulmemoryinthem,Iwillbehappy.20.Aftergettingoffthetrainoflife,Iwillbecont
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内通过对输出变量的观测把系统状态辨识出来，从而对4WS控制系统进行最优估计和最优控制。（1）判断能控性矩阵??AAB是否满秩来分析反馈增益c?对系统状态的可控性：①当0cK?时，由式（4.1）知控制}