基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计

课程设计任务书学院信息工程学院班级11自动化2姓名唐惠楷设计起止日期2014.6.23~2014.6.27设计题目：基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计设计任务（主要技术参数）：电动机：VUN220；AIN136；rpmnN1460；rpmvCe/132.0；允许过载倍数：5.1；三相桥式整流装置放大倍数：40sK；电枢回路总电阻：5.0R；时间常数：sTl03.0；ssTm18.0，电流反馈系数：AV/05.0；转速反馈系数：rpmV/07.0。要求：1.稳态指标：无静差；2.动态指标：电流超调量%5i，启动到额定转速时的转速超调量%10n；指导教师评语：成绩：签字：年月日课程设计说明书NO.1基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计沈阳大学课程设计说明书NO.2目录1、绪论………………………………………………………………….32、设计方案论证…………………………………………………….....43、系统仿真…………………………………………………………….74、心的体会…………………………………………………………….85、参考文献…………………………………………………………….8沈阳大学课程设计说明书NO.31.绪论针对直流调速系统理论设计与实际要求相差较大的现象，本文利用MATLAB仿真平台对直流调速系统的理论设计结果进行仿真；通过系统仿真以灵活调节各项参数，从而获得理想的设计结果；实践表明，利用仿真技术可以大大地减少直流双闭环调速系统的设计和调试强度。在直流双闭环调速系统设计中，在理论设计基础上根据实际系统运行情况作参数的调整是系统设计调试过程必不可少的一部分。原因在于系统的实际参数，往往与理论设计时所用的值有一定的误差，而且系统某些环节非线性因素影响会使系统在理论设计参数后并不能立即获得理想的调速性能，因此需要通过调试过程才能获得理想性能。传统的调试方法不仅增加系统的设计与调试强度而且不易产生预期结果。matlab/simulink仿真平台是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用这种仿真工具可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性。而且可以非常方便地完成调试过程且能十分直观地得到系统输出波形。利用matlab/simulink仿真工具有效地对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。本文利用matlab仿真工具对直流调速系统进行仿真分析，通过仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数，仿真结果可以用来指导实际系统的设计。沈阳大学课程设计说明书NO.42.1.设计要求本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图1所示，系统参数如下：电动机：VUN220；AIN136；rpmnN1460；rpmvCe/132.0；允许过载倍数：5.1；三相桥式整流装置放大倍数：40sK；电枢回路总电阻：5.0R；时间常数：sTl03.0；ssTm18.0，电流反馈系数：AV/05.0；转速反馈系数：rpmV/07.0。设计要求：（1）稳态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量%5i，启动到额定转速时的转速超调量%10n；2.2.具体设计方法2.2.1.电流环的设计1：确定时间常数。（1）整流装置滞后时间常数sT三相桥式电路的平均失控时间sTs0017.0；（2）电流滤波时间常数oiT三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应该有msToi33.3)2~1(,因此取sToi002.0；（3）电流环小时间常数iT按小时间常数近似处理，取sTTToisi0037.0。沈阳大学课程设计说明书NO.5ASRACR1STKss1/1STRlSTRmeC1dLI----nUiU*nU*iUn0dU图1直流双闭环调速系统动态结构图2：确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求：%5i，而且1011.80037.0/03.0/ilTT，因此设计成典型I型系统。3：电流调节器的结构选择电流调节器选用比例积分调节器（PI）,其传递函数为ssKsWiiiACR/)1()(。4：选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数：sTli03.0；电流开环增益：因要求%5i，故取5.0iITK，因此11.1350037.0/5.0/5.0sTKiI，于是电流调节器的比例系数为013.1/siIiKRKK5：校验近似条件电流环截止频率11.135sKIci（1)校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：sciT3/1，因为cissT11963/1，所以满足近似条件；（2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：lmciTT/13，由于cilmsTT138.40/13，满足近似条件；（3）校验小时间常数近似处理是否满足条件：oisciTT/1)3/1(，沈阳大学课程设计说明书NO.6由于cioissTT18.180/1)3/1(，满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。2.2.2.转速环的设计1：确定时间常数。（1）电流环等效时间常数为sTi0074.02；（2）电流滤波时间常数onT根据所用测速发电机纹波情况，取sTon01.0；转速环小时间常数nT按小时间常数近似处理，取sTTTonin0174.02。2：确定将转速环设计成何种典型系统由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型II型系统设计转速环。3：转速调节器的结构选择。转速调节器选用比例积分调节器（PI）,其传递函数为ssKsWnnnASR/)1()(。4：选择转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为shTnn087.0，转速开环增益为2224.39621sThhKnN所以转速调节器的比例系数为7.112)1(nmenRThTChK5：校验近似条件转速环截止频率15.34sKnNcn（1）校验电流环传递函数简化条件是否满足icnT5/1，由于cnisT11.545/1，满足简化条件；沈阳大学课程设计说明书NO.72）校验小时间常数近似处理是否满足条件：ioncnTT2/1)3/1(，由于cnionsTT175.382/1)3/1(，满足近似条件。（3）核算转速超调量当h=5时，%2.81/maxbCC，而rpmCRIneNN2.515/，因此%10%31.8/))((2)/(%*maxmnNbnTnTnZCC能满足设计要求。3双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真1：理论计算参数仿真分析根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图2所示。在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形，如图3。图2直流双闭环调速系统的仿真模型图3额定转速空载时转速仿真波形图4调整后的转速仿真波形沈阳大学课程设计说明书NO.8从图3中可知：(1)转速超调量为25%，转速超调量过大，系统相对稳定性弱；(2)整个起动过程只需0.6秒，系统的快速性较好。2：仿真调试分析通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标，找出最佳参数为：83.0iK，022.0i；17.8nK，3.0n。其转速波形如图4所示。从图4中可知：(1)转速环超调量为6%，超调量符合要求。(2)整个起动过程约为0.8秒，系统的快速性仍较好。4.心得体会以上分析表明，利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。5.参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2011.01[2]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京：机械工业出版社，2010.07[3]顾春雷，陈中.电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.04[4]姬宣德.MATLAB在《运动控制系统》教学中的应用[J].电力系统及其自动化学沈阳大学课程设计说明书NO.9报,2010,(3).15—19[5]郭晓红.《电机与拖动》课程教学中的创新探讨[J].电力学报,2011,(12).28—35[6]王晓琳.电力拖动控制系统教学中的探索与实践[J].科技信息,2010,(11).33—44沈阳大学