带电流变化率的内环的三环直流调速系统

《运动控制系统II》课程仿真设计报告书题目：带电流变化率内环的三环直流调速系统的设计学院：专业：学号：姓名：组员：完成时间：1目录一、设计目的...................................................................................2二、设计内容及要求.......................................................................22.1设计内容............................................................................22.2设计要求............................................................................2三、设计方案...................................................................................33.1系统简介............................................................................33.2带电流变化率内环的三环控制系统参数的计算............5四、结果分析...................................................................................84.1仿真结果分析....................................................................84.2仿真指标的检查与分析..................................................10五、总结.........................................................................................14六、参考文献.................................................................................15七、附录.........................................................................................162带电流变化率内环的三环直流调速系统的设计一、设计目的1．通过对一个实用的带电流变化率内环的三环直流调速系统的设计、安装、调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升，使学生获得控制技术工程的基本训练。2．通过系统建模和仿真，掌握用MATLAB/Simulink工具分析设计直流电动机速度控制系统的方法。3．进一步掌握各种直流调速系统的性能，尤其是动态性能。二、设计内容及要求2.1设计内容1．理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带电流变化率内环的基本原理，解决积分调节器的饱和非线性问题；采用工程设计方法设计一个带电压内环的三环直流调速系统(含主电路和控制电路,选择的元器件，系统的电气原理图)。2．仿真实践：根据所设计系统，利用MATLAB/Simulink建立各个组成部分相应的数学模型，并对系统仿真模型进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。2.2设计要求2.2.1技术参数⑴直流电动机：额定功率8KW，额定电压220V，额定电流2A，GD2=5.3N.m额定转速1600r/min，Ce=0.118Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5；⑵晶闸管装置放大系数：KS=30；⑶电枢回路总电阻：R=3Ω；⑷时间常数：机电时间常数Tm=0.1s，电磁时间常数：3L=1.46U2/Idmin=1.46*132.8/(0.1*4)=482mH；TL=L/R=482*10-3/3=0.16S⑸电流反馈系数：β=1.5V/A（10V/Inom～10V/1.5Inom）；⑹转速反馈系数：α=0.0055Vmin/r（10V/nnom～10V/1.5nnom）；⑺反馈滤波时间常数:Ton=0.02s，Toi=0.002s；⑻电流变化率di/dt=10Inom/s先设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环，观察电流变化的快速性变化。电流变化率内环，一般采用积分调节器。2.2.2系统要求调速范围D=10，静差率S≤5％；稳态无静差，电流超调量σi≤5%,电流脉动系数Si≤10％；启动到额定转速时的转速退饱和超调量σn≤10％，空载起动到额定转速时的过渡过程时间ts≤0.5s。2.2.3电机拖动控制系统设计与仿真根据所提供电动机参数，画出带电压内环的三环直流调速系统结构图，根据电流超调量、转速超调量等指标，用工程设计方法决定转速调节器、电流调节器和电流变换率调节器结构与参数，并对该调速系统进行Simulink仿真。三、设计方案3.1系统简介3.1.1转速与电流双闭环调速系统双闭环直流调速系统原理框图如图3.1所示。4图3.1转速与电流双闭环调速系统机构图图中M为直流电动机,TG为测速发电机,ASR为转速调节器,ACR为电流调节器,TA为电流互感器。U*n为转速给定电压,Un为转速反馈电压,U*i为电流给定电压,Ui为电流反馈电压,Uc为控制电压,Ud为电枢端电压。其主电路是采用三相桥式晶闸管装置电路。控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统,把转速调节器ASR的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器ACR的输出去控制电力电子变换器UPE。电流环为内环，转速环为外环，就构成了转速—电流双闭环直流调速系统。转速调节器ASR设置输出限幅,以限制最大起动电流。根据系统运行的需要,当给定电压U*后,ASR输出饱和,电机以最大的允许电流起动,使得电机转速很快上升,达到给定的速度后转速超调,ASR退饱和,电机电枢电流下降,经过两个调节器的调节作用,使系统很快得到稳态。3.1.2带电流变化率内环的三环控制系统在转速与电流双闭环控制系统当中，由于电动机自身特性的限制，当电流超调太大会影响电机，导致电机转矩波动过大，容易损坏设备，利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并且在此基础上加入适当的电流变化率内环。用电流变化率内环抑制电流的变化，使电流趋于平缓。5图3.2带电流变化率内环的三环环直流调速系统的动态结构图在转速与电流双闭环控制系统的基础上，在电流环中间再加入一个电流变化率内化，通过电流变化率内环来有效的抑制最大电流变化率，从而达到保护电机的目的。3.2带电流变化率内环的三环控制系统参数的计算3.1.1电机参数额定功率：8kW；额定转速:1600r/min;额定电压：220V；电枢电流：40A；电枢回路电阻：3Ω；电枢回路电感：482mH;惯量5.3N·m。3.1.2设计参数指标（1）电流调节器,要求电流超调量i5%（2）转速调节器，要求转速超调量n10%3.1.3电流调节器ACR的选定及参数的整定系统设计的一般原则：“先内环后外环”6电流超调量i≤5%，电流环按典型I型系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，如图3.3。图3.3电流调节器模块（1）传递函数：𝑊ACR(𝑠)=𝐾𝑖𝜏𝑖𝑠+1𝜏𝑖𝑠（3-1-1）(iK：电流调节器的比例系数；i：电流调节器的超前时间常数。)（2）电动机转矩时间常数：2*/3750.16memTGDRCCs（3-1-2）（3）电动机电磁时间常数：0.03lTs（4）三相晶闸管整流电路平均失控时间：0.0017sTs（5）电流环的小时间常数：0.0037isoiTTTs（3-1-3）为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择0.16iITs（6）电流环开环增益：10.50.5135.130.0037liKsT(3-1-4)（7）晶闸管装置放大系数：30sK，电流反馈系数：10/1.51.5nI(3-1-5)（8）电流调节器的比例系数：2.22linKRKiK(3-1-6)（9）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dnU。本系统调节器限幅值*cmU=±10V。73.1.4转速调节器ASR的选定及参数的整定为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统（h=5），如图3.4所示，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图3.4转速调节器模块（1）传递函数可以写成：ssKsWnnnASR1)((3-2-1)（2）电流环等效时间常数1IK：1220.00670.134iITsK(3-2-2)（3）转速滤波时间常数0.005onTs（4）转速环小时间常数nT：10.0184nonITTsK(3-2-3)（5）ASR的超前时间常数:50.02740.137nnhTs(3-2-4)（6）ASR的比例系数：(1)15.62emnnhCTKhRT(3-2-5)8（7）转速调节器ASR的输出限幅电压*imU，dlI=20A则*10imndlUIIV(3-2-6)3.1.5电流变化率调节器ADR的选定及参数的整定近似传递函数𝑊𝑐𝑙𝑑(𝑠)=𝐾𝑑𝑖1+𝐾𝑑𝑖𝛽𝑑𝑖𝜏𝑑𝑖𝑠(𝑇𝑙𝑇𝑠1+𝐾𝑑𝑖𝑠2+𝑇𝑙+𝑇𝑠1+𝐾𝑑𝑖𝑠+1)(3-3-1)图3.5电流变化率控制器模块四、结果分析4.1仿真结果分析图4.1是系统在给定阶跃信号r(t)=8，t=5s时加入负载的输出转波形，和电流增大300倍之后的波形。9图4.1仿真系统转速和电流波形图通过和理论波形图4.2的对比发现，三环控制系统的仿真效果和理论预期相比基本符合。能够保证较小的超调量，以及较好的抗扰动能力。图4.2转速、电流理论波形（1）第一阶段：突加给定电压*Un后，经过两个调节器的跟随作用，cU、100dU、dI都上升，但是在dI没有达到负载电流dLI以前，电机不转动。当ddLII后，电动机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值较大，其输出电压保持限幅值*imU，强迫电枢电流dI迅速上升，直到ddmII，*iimUU，电流调节器很快抑制了dI的增长。（2）第二阶段：在这一阶段，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定*imU下的电流调节器系统，基本上保持电流dI恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。（3）第三阶段：当转速上升到给定值*n时，转速调节器ASR输入偏差为零，但其输出却由于积分的作用还维持在限幅值*imU，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负值，使它开始退出饱和状态，*iU和dI很快下降，但是，只要dI仍大于负载电流dLI，转速就继续上升。直到ddLII，电机开始减速，直到稳定在额定负载。在转速调节阶段，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导作用。4.2仿真指标的检查与分析(1)调速范围D与静差率S：如图4.3，图4.4所示，稳定转速分别为160r/min和1600r/min，调速范围D=10。图4.3r(t)=0.8的转速n1=160r/min图4.4r(t)=8的转速n1=1600r/min11调速范围满足题目