实验4--直流调速系统仿真与设计

实验4直流调速系统仿真与设计专业年级机电112姓名王瑛学号2011012549一、实验目的1、掌握连续部分的程序实现方法；2、熟悉仿真程序的编写方法。二、实验内容一转速电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，已知电动机参数为：NP=200W，NU=48V，NI=3.7A，Nn200r/min，电枢电阻Ra=6.5欧，电枢回路总电阻R=8欧，允许电流过载倍数2，电势系数C0.12min/eVr，电磁时间常数sTl015.0，机电时间常数sTm2.0，电流反馈滤波时间常数sToi001.0，转速反馈滤波时间常数sTon005.0。设调节器输入输出电压**nmimcmUUU10V，调节器输入电阻kR400。已计算出电力晶体管D202的开关频率f1kHz，PWM环节的放大倍数sK4.8。试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量n20%；过渡过程时间st0.1s。建立系统的仿真模型，并进行仿真验证。三、实验要求1.动态结构图双极式PWM直流双闭环调速系统动态数学模型的动态结构图图1双极式PWM直流双闭环调速系统动态结构图图中*nU(s)—对应于给定转速的控制电压信号；Un(s)—对应于实际转速的反馈电压信号；ΔUn(s)—对应于转速偏差的电压信号；Ui(s）—对应于控制电流的电压信号；Uct(s)—对应于脉宽调制器的输入控制电压信号；Ud0(s)—PWM驱动电路输出的空载电压；E(s)—电动机的反电动势；Id(s)—电动机的电枢电流；Idl(s)—对应于电动机负载转矩的负载电流；n(s)—电动机转轴转速；Ton—转速反馈环节滤波时间常数；Toi—电流反馈环节滤波时间常数；KPWM,TPWM—脉宽调制器和PWM变换器放大倍数与其近似惯性环节时间常数；R—电动机电枢回路总电阻；Tl—电动机电磁回路时间常数；Tm—包括电动机在内的系统机电时间常数；Ce—电动机在额定磁通下的电动势转速比；ASR—系统的速度调节器；ACR—系统的电流调节器；—速度反馈系数；—电流反馈系数。2．设计方框图反馈环节电流调节器交流装置调节对象反馈环节转速调节器输入信号()nUs输出3．各部分电路设计及参数计算3.1设计方法的基本思路一般直流调速系统动态参数的工程设计，包括确定预期典型系统，选择调节器形式，计算调节器参数。如下图2所示：图2调速系统的设计过程最终结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。在实际应用中双闭环直流调速系统是应用得比较广泛的，而且也是比较典型的一种，也还是构成各种可逆调速系统的核心。双闭环调速系统由转速反馈和电流反馈组成，属于多环控制系统，其动态结构如下图a：图a双极式PWM直流双闭环调速系统动态结构图其结构由内到外，一环包围一环，每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。预期典型系统选择调节器计算参数转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出则去晶闸管整流器的触发装置。从系统结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称外环。为了使转速，电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能。电流、转速两个调节器一般采用输出带限幅的PI调节器。3.2典型系统及其参数与性能指标的关系(1)典型系统典型系统的开环才传递函数为：()(1)KWssTs由上式的结构可以看出典型系统由一个积分环节和一个惯性环节相乘得来，其方框图如图图3典型系统动态结构图由上图可以看出来典型Ⅰ型系统是一个由积分环节和一个惯性环节串联组成的闭环反馈系统。（2）典型系统的稳态跟随性能由控制理论误差分析可知，典型系统对阶跃给定信号的稳态误差为零；对单位斜坡输入信号的稳态误差不为零，即有跟踪误差。22001111()lim()lim1()ssesEsssWssK由上式可知，当开环增益K增大时，跟踪误差将减少。(2)典型系统的闭环传递函数为：2222()/()11()2nclnnwWsKTWsKWsswswssTT在式中nw——自然振荡频率，nw=/KT；——阻尼比，=12KT。此系统在零初始条件下的阶跃响应动态性能指标计算公式为：超调量：210000100e调节时间：0036(5)sntTCw(0.9)时截止频率：1422[412]2cwT相角裕量：12422arctan[412]在对典型系统进行工程设计时，通常选用K=1/(2T)或=0.707为典型函数，称为“典型系统工程最佳参数”。当取这两个参数时，其性能指标为：0000004.3,4.2(5)stT实践表明，上述典型参数对应的性能指标适合于响应快而又不允许过大超调量的系统，一般情况下都能满足工程设计要求。(3)典型系统的频率特性典型Ⅰ型系统的开环对数频率特性如下图所示。当1/cwT时，对数幅频特性以—20dB/dec的斜率通过零分贝线，其截止频率cw=K，其相角裕量为00()90arc45ccwtgwTL/dBO000900180-20cw1T0135ww图3Ⅰ型系统的频率特性从上述分析可知，与系统快速性相关的截止频率cw取决于开环增益K，增益K值可提高系统的快速性，但另一方面又会使相角裕量减少，超调量增大，所以cw不能随意增大。如果既要提高快速性，又要保持相角裕量不变，就应在增加cw的同时减少时间参数T，保持他们之间的比值不变。但时间常数T往往是系统的固有参数，较难改变，故在确定K值时，要兼顾快速性和超调量两项指标。4．用Simulink仿真图5Simulink仿真连接图