双闭环调速系统设计

武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书I摘要转速、电流双闭环调速系统是性能很好，应用最广的调速系统，采用转速、电流双闭环调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环调速系统的控制规律性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，这样形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。而合理地选择电流调节器和转速调节器的结构和参数则是为了使系统更好的满足生产工艺所要求的性能指标。本次课设的目的就是利用matlab进行双闭环调速系统的仿真计算。关键词：双闭环调速电流调节器转速调节器仿真武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书II目录摘要......................................................................Ⅰ双闭环调速系统设计及变负载扰动转速环突然断线matlab仿真....................11设计任务与分析.........................................................11.1设计任务：..........................................................11.2任务分析：..........................................................12设计原理...............................................................32.1双闭环系统简介......................................................32.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成............................32.1.2双闭环系统稳态结构图............................................32.1.3双闭环系统动态结构图............................................32.1.4转速调节环作用..................................................42.1.5电流调节环作用..................................................42.1.6双闭环调速系统原理图...........................................42.2双闭环调速系统调节器的工程设计方法..................................52.3典型系统结构........................................................62.3.1典型Ⅰ型系统....................................................62.3.2典型Ⅱ型系统....................................................83.系统调节器设计........................................................123.1电流环设计.........................................................123.1.1电流环结构设计.................................................123.1.2电流环参数设计.................................................133.2转速环设计.........................................................153.2.1转速环结构设计.................................................153.2.2转速环参数设计.................................................174.Matlab仿真...........................................................194.1有ACR限幅值时的变负载扰动转速环突然断线仿真及结果分析错误!未定义书签。4.2无ACR限幅值时的变负载扰动转速环突然断线仿真及结果分析错误!未定义书签。5.小结..................................................................216.参考文献..............................................................25武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书1双闭环调速系统设计及变负载扰动转速环突然断线matlab仿真1设计任务与分析1.1设计任务：不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相半波整流电路，基本数据如下：直流电动机：Unom=220V，Inom=308A，nnom=1000r/min，Ce=0.196V·min/r；允许过载倍数=1.5,；时间常数：TL=0.012sTm=0.12s；晶闸管放大倍数：Ks=35,主回路总电阻：R=0.18；额定转速时的给定电压*nU=10V，调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V，*6.5cmVU设计要求稳态指标：稳态无静差，D=10动态指标：电流超调量i5%，空载启动到额定转速时的转速超调量n15%。调速系统设计的任务主要是合理地选择调节器的结构和参数，以使系统的性能指标满足生产工艺的要求，稳态参数的计算是调速系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本组成，然后在通过动态设计使系统性能满足要求。采用Matlab对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统稳定运行时转速环突然断线（1、有ACR限幅值，2、无ACR限幅值）仿真框图，仿真得出启动转速，启动电流，直流电压dU,ASR、ACR输出电压的波形，并对结果进行分析。1.2任务分析：转速、电流双闭环调速系统是性能很好，应用最广的调速系统，采用转速、电流双闭环调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环调速系统的控制规律性能特点和设计方法是各种交、电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书2流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。同时设计完成以后需要使用Matlab这款多功能软件对所设计的电路进行仿真，观察并计算输出的电流的超调量是否＜5%，因为任务要求带的是变负载，而且需要给出在速度环突然断线的情况下的仿真框图，需要仿真得出起动速度，启动电流，直流电压dU,ASR、ACR输出电压的波形。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书32设计原理2.1双闭环系统简介2.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。2.1.2双闭环系统稳态结构图图1双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数β——电流反馈系数ACR——电流调节器ASR——转速调节器2.1.3双闭环系统动态结构图武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书4图2双闭环系统的动态结构图2.1.4转速调节环作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快德跟随给定电压*nU变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.1.5电流调节环作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压*iU（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）对转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.1.6双闭环调速系统原理图为了同时改善系统的稳态与动态性能，提出了转速调节器ASR与电流调节器ACR串级联接的双闭环调速系统，分别调节转速和电流。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压*imU决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。其原理图如图3所示：武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书5图3双闭环调速系统原理图2.2双闭环调速系统调节器的工程设计方法现代的电力拖动自动控制系统，除电动机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统可以近似为低阶系统，而用运算放大器或微机数字控制可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统做比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多，这就是工程设计方法。调节器工程设计方法所遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。如果要求更精确的动态性能，在典型系统设计的基础上，利用MATLAB或SIMULINK进行计算机辅助分析和设计，也可设计出实用有效的控制系统。作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分作两步：武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书6第一步，先选择调节器的结果，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。以上两步就把稳、准、快、抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳态性的稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其他动态性能指标。控制系统的开环传递函数都可以表示成（2-1）分母中的sr项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（r=0），至少是Ⅰ型系统（r=1）；当给定是斜坡输入时，则要求是Ⅱ型系统（r=2）才能实现稳态无差。选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于Ⅲ型（r=3）和Ⅲ型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把Ⅰ型和