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1、分类号 TP36 单位代码 10642 密 级 公 开 学 号 200408033002 重庆文理学院学士学位论文论文题目：MATLAB控制系统仿真 异步电机调速论 文 作 者： 刘任桃指 导 教 师： 陈晓红 助教专 业： 电子信息科学与技术提交论文日期： 2008年5月18日论文答辩日期： 2008年6月2日学位授予单位： 重庆文理学院中 国 重 庆2008年05月Graduation Thesis of Chongqing University of Arts and sciencesMATLAB Control System Simulation - asynchronous moto
2、r speedCandidate: Liu Ren-taoSupervisor: Chen Xiao-hongMajor: Electronic Information Science and Technology Department of Physics & Information EngineeringChongqing University of Arts and SciencesMay, 2008重庆文理学院本科生毕业论文(设计) 目录目 录摘 要IAbstractII1 引言11.1 问题的提出及研究意义11.1.1 问题的提出11.1.2 研究的意义11.2 国内外研究现状11.
3、2.1 Simulink的功能研究现状11.2.2 异步电机研究现状22 基本原理221 Simulink子系统封装222 S函数的建立23三相异步电机数学模型44两相静止相坐标系下数学模型54.1坐标变换和变换阵：54.2异步电机在二相静止坐标系上的数学模型65 仿真结果65.1 异步电机仿真模型65.2 矢量控制系统仿真结果106 结语11参考文献12致 谢13重庆文理学院本科生毕业论文(设计) 中文摘要摘 要MATLAB是目前应用最广泛的一种数学仿真软件, 控制系统仿真的重点是建立模型，Simulink建摸与一般程序建模相比更为直观，操作也更为简单，不必记忆各种参数，用鼠标就能够完成非常
4、复杂的工作。由于异步电机是一个复杂的多变量、强耦合的非线性系统，利用计算机仿真的办法构造一个实验系统进行异步电动机的分析，是一种很好的研究和运用MATLAB/Simulink的手段。异步电动机控制系统是工业现场最典型的一种控制系统，通过使用MATLAB软件对异步电机控制系统进行仿真对提高控制系统设计能力是非常有用的。本文在理论基础学习的基础上，应用Matlab/Simulink构建异步电机矢量控制系统的的仿真模型。关键词：Matlab/Simulink；控制系统仿真；异步电机I 重庆文理学院本科生毕业论文(设计) 英文摘要Abstract MATLAB is the most extensiv
5、e application of a mathematical simulation software, and modeling is the focus of the control system simulation. Simulink modeling is a more intuitive and with more simple operation way compared to the general procedure modeling, which not need to memory various parameters and just to use the mouse
6、to complete the very complex task. Because the asynchronous machine is a complex multivariable, close coupling nonlinear system, which carries on the asynchronous motor using a computer simulation means structure experiment system the analysis and is one kind of way to research and utilize MATLAB/Si
7、mulink. Asynchronous motor control system is the most typical control system of the industrial scene.It is very useful to improve control system design capability through using the MATLAB software to make the asynchronous motor control system simulation. Based on the theoretical foundation, making u
8、se of the Matlab / Simulink to construct motor vector control system model to make the simulation. Keywords: Matlab/Simulink; Control system simulation; Asynchronous machineII 重庆文理学院本科生毕业论文(设计)1 引言1.1 问题的提出及研究意义1.1.1 问题的提出计算机仿真目前已经成为解决工程实际问题的重要手段，MATLAB/Simulink软件已经成为其中功能最强大的仿真软件之一，MATLAB(矩阵实验室的简称)是
9、MathWorks公司推出的一种使用简便的工程计算语言，它以矩阵计算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中。在MATLAB中可实现工程计算、算法研究、建模和仿真、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。由于MATLAB具有强大的数值计算功能、易学易用和可扩展的特点，已使之明显优于其他工程计算语言，而成为当今应用于多个学科研究和解决工程计算问题的一种标准软件。Simulink是MATLAB语言中的一个重要组成部分，具有相对独立的功能和使用方法，它支持线性、非线性、连续、离散或混合系统，同时Simulink提供了友好的图形用户界面、丰富的功能模块，并可结合MATLAB程序于仿真中
10、，其强大的功能、简便的操作使之非常适用于动态系统的建模、仿真和分析。有关MATLAB的使用可参考文献1。本设计就是使用MATLAB/SIMULINK工具箱进行异步电机数学模型的搭建以及矢量控制系统的初步建立。1.1.2 研究的意义 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识，它所遵循的基本思想是相似性原理。计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的技术与方法1。自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门涉及自动控制理论、计算机数学、计算机技术、系统辨识、控制工程以及系统科学的综合性新型科学。它为控制系统的分析、计算、研究
11、、综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学等提供了快速、经济、科学及有效的手段。自动控制仿真就是以自动控制系统模型为基础，采用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对自动控制系统进行实验、分析、评估、及预测研究的一种技术和方法。工业系统中被控对象是多种多样的，如温度、压力、液位、转速等，其中的转速（即电机）是拖动系统中必不可少的，且其数学模型非常具有典型性，所以本论文探讨如何对电机进行建模仿真。本人在前人研究成果的基础上，结合MATLAB/Simulink软件对异步电机调速控制系统进行仿真。 采用模块的搭建和S函数的建立来对控制系统进行形象直观的仿真，使大家更进一步认识异步电机调速控制系统
12、的原理和实现结果，促进电机理论的进一步发展。1.2 国内外研究现状 1.2.1 Simulink的功能研究现状MATLAB SIMULIN K 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的可视化软件包,用户利用该软件包可以迅速建立起各种连续、离散或者混合的多变量系统。Simulink建摸与一般程序建摸相比更为直观，操作也更为简单，不必记忆各种参数命令的用法，只要用鼠标就能够完成非常复杂的工作。Simulink具有非常高的开放性，提倡将模型通过框图形式表示出来，或者将已有的模型添加组合在一起，或者将自己创建的模块添加到模块当中。Simulink具有较高的交互性，允许随意修改模块参数，并且可以直接无
13、缝地使用MATLAB的所有分析工具。对最后得到的结果可以进行分析，并能将结果可视化显示。Simulink提供了大量的模块，方便用户快速地建立动态的系统模型，只需用鼠标进行简单的拖放和模块间的连接，就能够建立非常复杂的仿真模型，对模型中的连接数量和规模没有限制3。1.2.2 异步电机研究现状世界上有60左右的发电量是通过电动机消耗的。据统计，我国各类电动机的装机容量已超过4亿kW，其中异步电动机约占90，拖动风机、水泵及压缩机类机械的电动机约1.3亿kW。在目前4亿kW的电动机负载中，约有50的负载是变动的，其中的30可以使用电动机调速。因此，就目前的市场容量考虑，约有6000万kW的调速电机市
14、场。电机分为直流和交流两大类，随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节已逐步显露出来。由于换向器的存在,使直流电动机的维护工作量加大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制,而交流异步电动机结构简单、坚固耐用、便于维修,但其调速性能难以满足生产要求。自20世纪80年代以来交流调速技术发展很快，同时随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅猛发展,交流电机变频调速已经逐步取代直流电机调速,并经历了采用电压频率协调控制(即V/F比为常数)、转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制的发展过程。其中，转差频率控制技术的采用，使变频调速系统在一定程度上改善了系统的静态和动态性能，同时它又比矢量控制
15、方法简便，具有结构简单、容易实现、控制精度高等特点，广泛应用于异步电机的矢量控制调速系统中。对于异步电机矢量控制系统的研究,传统的解析方法是无能为力的。构造真实的物理系统,由实验来分析研究不但周期长、投资大,而且不宜分析系统的各种性能。因此采用数字仿真的方法是必要的。Error! Reference source not found.2 基本原理 MATLAB/Simulink工具箱功能非常强大，本论文只涉及控制系统工具箱部分。Simulink控制工具箱部分的模块包括信号源模块组、信号接受模块组、逻辑运算模块组等，通过一段时间的学习，本人已经掌握使用控制系统工具箱模块搭建模型的基本方法。21
16、Simulink子系统封装 对于简单的系统来说,可以直接建立系统的模型,并分析模块之间的相互关系以及模块的输入输出关系。但是对一个复杂系统，或者一个大系统中存在多个相互关系的子系统时，Simulink中将会包含非常多的模块，使得各个模块之间的相互关系显得非常复杂，不利于分析。而子系统则正是针对以上原因而设计的，可以将联系比较紧密的模块、或者归属于一个子系统的模块进行封装，这样就能够对大系统模型一目了然。Simulink提供的子系统功能可以大大地增强Simulink系统模型框图的可读性，可以不必了解系统中每个模块的功能就能够了解整个系统的框架。子系统可以理解为一种“容器”，我们可以将每一组相关的
17、模块封装到这个子系统模块当中，并且等效与原系统模块的功能，而对其中的模块我们可以暂时不去了解。组合后的子系统可以进行类似模块的设置，在模型仿真过程中可以作为一个模块进行仿真2Error! Reference source not found.6。22 S函数的建立在实际建摸过程中，常常会遇到非常复杂的模型，这些模型直接用 Simulink 创建显得非常复杂或者是不可能的，S函数却可以很容易地解决这个问题。用MATLAB语言，C语言，C+语言，Fortran语言或者Ada语言来描述具体的过程，构成S函数模块，然后在Simulink模型中通过S函数模块直接调用379。S函数就是S-Function
18、s，是system-Functions的缩写。当MATLAB所提供的模型不能完全满足用户要求时，就可以通过S函数提供给用户自己编写程序来满足自己要求模型的接口，即可以将现有的数学模型（公式）转换成模块化图形进行仿真。S函数使用的是一种比较特殊的调用格式，可以和Simulink求解器进行交互式操作，这种交互式就与Simulink求解器和内置固有模块交互式操作相同。S函数允许用户向模型中添加自己编写的模块，只要按照一些简单的规制，就可以在S-Functions添加设计方法。在编写好S-Functions之后就可以在S-Functions模块中添加相应的函数名，也可以通过封装技术来定制自己的交互界面
19、。 例子：（a） Simulink模块仿真图 (b) Sfunction仿真图图1（a）输入信号 (b) 输出信号 （c）输出信号 图2仿真结果图1（a）中Saturation模块为限幅模块，其功能是将输出值限定在一定的范围之内，是使用SIMULINK控制系统模块所搭建，所限幅值可通过修改参数进行改变；图1（b）为使用S函数实现相同的限幅功能，其限幅幅值也可通过修改而改变。以下为S函数所包含的程序，图3为两种方法的仿真结果，图2（a）输入正弦信号，图2（b）为图1（a）的输出波形，图2（c）为图1（b）的输出波形，其限幅值为0.5。从输出波形上可看出两种方法功能是一致的。function sy
20、s,x0=A(t,x,u,flag,A)if flag=3 if abs(u)A sys=A; else u-A sys=-A; endelseif flag=0 sys=0;0;1;1;1;1; x0= ; else sys= ; end3三相异步电机数学模型异步电机的多变量数学模型由电压模型、磁链模型、转矩模型和运动方程组成。（一）电压方程:将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子代替微分符号可得：式中，-定子和转子相电压的瞬间值；，-定子和转子相电流的瞬间值；，-各相绕组的全磁链； ，-定子和转子绕组电阻。或写成： （二）磁链方程6 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之
21、和，因此，六个绕组的磁链可表达为：或写成： 式中是6*6电感矩阵，其中对角线元素， 是各有关绕组的自感其余各项则是绕组间的互感。（三）运动方程：对于恒转矩负载，（为与转速成正比的阻转矩阻尼系数，为扭转弹性转矩系数）则： 式中 -负载组转矩； -对极数； -机组的转动惯量。（四）旋转方程： 1 上述公式是在磁链为线性、磁场在空间按正弦分布的假定条件下得出的，但对定、转子电流的波形没有作任何假定，它们可以是任意的。因此，上述电磁转矩公式对研究由变频器供电的三相异步电机调速系统很有实用意义。（五）三相异步电动机的数学模型： 4两相静止相坐标系下数学模型4.1坐标变换和变换阵： 上面虽已推导出异步电机
22、的数学模型，但是，要分析和求解这组非线性方程显然是十分困难的，即使要画出很清晰的结构图也并非易事。通常须采用坐标变换的方法加以改造，使变换后的数学模型容易处理一些。（一）坐标变换的原则和基本思路： 从上面的分析异步电机数学模型的过程中可以看出，这个数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵，也就是说，影响磁通和受磁通影响的因素太多了。因此，要简化数学模型，必须从简化磁通的关系着手。 如果能将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，然后再模仿直流电机去进行控制，问题就可以大大简化，坐标变换正是按照这条思路进行的。在这里，不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下产生的磁动势相
23、同。然而，产生旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、三相、四相、等任意多项对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单2614。（二）三相/二相变换阵： 在三相静止坐标系、和二相静止坐标系、之间的变换，简称3/2变换。设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上的投影都应相等。4.2异步电机在二相静止坐标系上的数学模型26Error! Reference source not found.（一）、轴电压方程： （二）磁链方程： （三）由上两式可得坐标系上数学模型的电压矩阵方程： （四）坐标系上的电磁转矩： 从三相异步
24、电机数学模型可以看出，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过从三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换后（以所产生磁动势相同为前提），数学模型复杂度大大的降低。5 仿真结果5.1 异步电机仿真模型图3 异步电机模型仿真图图4 为图3中 motor子系统内部图形图5 为图4中异步电机在、坐标系下的数学模型图6 2/3坐标变换图7 3/2坐标变换图8 为电机模型参数输入图界面图3为按照异步电机数学模型所搭建的模块；图4为图3中motor子系统内部图形；图5为异步电机在、坐标系下的数学模型，是图4的a/b子系统内部；图6和图7分别为2/3变换和3/2变换模块图，正是有了这两个模块，异步电机在、坐
25、标系下的数学模型才能加上三相交流电，从而与三相异步电机等效；图8为电机模型参数输入图界面。对电机模型输入不同参数，并输入220V的三相交流和给定阶跃转距，那么仿真后输出异步电机转子三相电流，以及实际输出转速和转距。以下为电机模型仿真结果图。 (a) 磁链轨迹 (b) 电流波形 图9 异步电机重要波形图10 转速和转矩输出图形从图9(a)可以看出，其磁链图形为一圆形；从图9(b)可看出其输出电流仍然是正弦波；从图10可看出，其转距、转速波形符合一般异步电机的输出图形。从网上查找各种不同异步电机参数输入该电机模型，都能得到正确波形，说明异步电机模型搭建正确。5.2 矢量控制系统仿真结果图11 异步
26、电机矢量控制系统仿真图将已搭建好的异步电机模型加入如图11所示的异步电机矢量控制系统仿真图形中。通过根据实际输出图形不断的改变矢量控制系统的各个参数，如PID参数等，对其转距给定20，并执行仿真，下图为仿真结果图。图12 磁链轨迹（a）转速输出 (b)转矩输出图13 仿真输出从图12可看出，其磁链图形不仅仍然是圆形，而且图形质量大有提高，与不控制异步电机模型仿真结果图9 (a)比较，其到达最终值非常迅速。从图13(a)和图13(b)可看出，该系统输出转速和转距上升较快，能迅速达到最终值，且基本无超调量，说明矢量控制系统的各个参数选择比较恰当。6 结语MATLAB软件工具箱以及Simulink仿
27、真工具的强大功能，为自动控制系统的计算与仿真提供了强有力的支持。本设计是在认真学习MATLAB控制系统仿真基础和技巧和异步电机在三相/二相坐标系下数学模型的基础上选择异步电机作为被控对象进行仿真。由于异步电机是一个典型、复杂的多变量、强耦合的非线性系统，利用计算机仿真的办法构造一个实验系统进行异步电动机的分析，是一种很好的研究和运用MATLAB/Simulink的手段。通过本次论文我首先对异步电机在两相静止坐标系下的数学模型进行了深入学习；然后学会了Simulink子系统封装，简单S文件的编写和封装以及根据数学模型搭建仿真模块；然后实现了不调速下的转速输出。通过对电机模型输出信号的分析，以检测
28、模型搭建的正确性。在指导老师的指导下，学会了组建异步电机调速系统仿真模型，当加入观测模块时，经过对整个矢量控制仿真系统进行调节，可使其达到较理想的输出。参考文献1 张立伟，陈桂兰Matlab/Simulink环境下异步电机建模及其工程应用M机械工业出版社，20012 陈伯时，陈敏逊交流调速系统M北京：机械工业出版社，1998.3 张长君，赵争鸣异步电机矢量控制系统动态仿真方法M北京大学出版社，1995.4 罗成汉基于MATLAB的控制系统计算机辅助分析J1998, 8(4): 61645 周玲玲，侯立军，苏彦民异步电机调速系统建模与仿真研究J2000, 24(1): 83866 陈伯时电力拖动
29、自动控制系统M第二版，机械工业出版社 2003.7 李传海空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术特点及优化方法J山东大学学报1998, 8(4): 61648 王晓明，王玲.电动机的DSP控制(TI公司应用)DSP北京:北京航空航天大学出版社2004.9 李永东，交流电机数字控制系统M北京:机械工业出版社，2002.10 李华德，交流调速控制系统M北京:电子工业出版社2003311 陆希明电子原件测量仪表M北京:电子工业出版社, 199512 何希才传感器及其应用M北京:国防工业出版社，200113 魏永广，刘存现代传感技术M.沈阳:东北大学出版社，199514 王成元，郭庆鼎矢量控制交流伺服驱动
30、电动机M北京:机械工业出版社，1995.15 张志勇，精选MATLAB5.3M北京航天航空大学出版社，2000.16 Xue D, Goucem A, AthertonD P.A menu-driven interface to PC-MATLAB for a first course oncontrol systems. International Journal of Electricai Engineering Educaation,1991,28(1):21-23 17 Ziegler J G, Nichols N B Optimum settings for automatic co
31、ntrollers.Transaction of ASME, 1942,64:759-76818 Zhuang M,Atherton D P.Automatic tuning of optimum PID controllers. Proceedings of IEE ,1993，Part D,140:216-224第11 页，共13页重庆文理学院本科生毕业论文(设计)致 谢本文的研究工作是在我的导师陈晓红助教的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。由于我对异步电机和Simulink这方面的专业知识接触不是很深，在整个论文准备过程中，导师经常牺牲休息
32、时间耐心辅导我让我深受感动，她的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人做事的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在这段时间的学习生活中，还得到了许多领导和老师的热情关心和帮助，在此，对他们提供的帮助致以崇高的敬礼！在日常学习和生活中，我同学也给予了我很大帮助。在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！刘任桃2008年5月 于重庆第15 页，共6页重庆文理学院本科生毕业论文(设计)独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得有研究成果。据我所知，
33、除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆文理学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。论文作者签名： 日期： 版权与使用授权声明重庆文理学院有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权重庆文理学院教务处办理。论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 日期：