转速、电流反馈控制直流调速系统仿真

《运动控制系统》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:转速、电流反馈控制直流调速系统仿真初始条件：某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220VU,额定电流136IA；额定转速n1460rpm,0.132min/eVrC，允许过载倍数1.5；晶闸管装置放大系数40sK；电枢回路总电阻0.5R；时间常数0.03,0.18lmssTT；电流反馈系数0.05/VA;转速反馈系数0.007min/Vr要求完成的主要任务:（1）用MATLAB建立电流环仿真模型；（2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线；（3）用MATLAB建立转速环仿真模型；（4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线；（5）电流超调量5%i，转速超调量10%n。转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运行的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统里设置两个调节器，组成串级控制。本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink对系统进行仿真。031040806焦荣涛1转速、电流反馈控制直流调速系统仿真1设计的初始条件及任务1.1概述本次仿真设计需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。1.2初始条件某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220VU,额定电流136IA；额定转速n1460rpm,0.132min/eVrC，允许过载倍数1.5；晶闸管装置放大系数40sK；电枢回路总电阻0.5R；时间常数0.03,0.18lmssTT；电流反馈系数0.05/VA；转速反馈系数0.007min/Vr。1.3要完成的任务1）用MATLAB建立电流环仿真模型；2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线；3）用MATLAB建立转速环仿真模型；4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线；5）电流超调量5%i，转速超调量10%n。031040806焦荣涛22双闭环直流调速系统的工作原理2.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流dcrI值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2-1b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图2-1调速系统起动过程的电流和转速波形IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)031040806焦荣涛3实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dmI的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变[1]，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。2.2双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI[1]调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度[1]，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性[1]；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2-2转速、电流双闭环直流调速系统nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-TG环ni外环内环MTG031040806焦荣涛42.3双闭环直流调速系统两个调节器的作用1)转速调节器的作用（1）使转速n跟随给定电压*mU变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2)电流调节器的作用（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压*iU变化。（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3）起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动。（4）当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。3电流环的MATLAB计算、建立及仿真3.1电流调节器的设计确定时间常数，电流环小时间常数之和iT。按小时间近似处理sTTTSOii0037.0根据设计要求%5i，并保证稳态电流无差，可将电流环校成典型Ⅰ系统，典型Ⅰ系统的跟随性较好，超调量较小。设传递函数的形式为：ssKsWiiiACR1计算电流调节器的参数电流调节器的超前时间参数：sTli03.0电流开环增益：要求%5时，应该取5.0iITK,因此：1.13521iITKSTl03.0031040806焦荣涛5013.1iK03.0T根据上述的设计参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为，%5%3.4符合设计要求。3.2电流环仿真模型设计图3-1电流环仿真模型3.3电流环调节器分析图3-2电流环临界超调输出波形031040806焦荣涛62）KT=0.25时，按典型系统的设计方法得到的PI调节器的传递函数为ssWpi89.165067.0，可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形：图3-3电流环无超调输出波形3）KT=1.0时，按典型系统的设计方法得到的PI调节器的传递函数为ssWpi567.67027.2，可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形：图3-4电流环超调较大输出波形031040806焦荣涛7总结：从以上各电流环的图形得出KT越大时上升时间越快，但同时超调量也比较大，当KT=0.5时，各项动态参数较合理。4转速环的MATLAB计算、建立及仿真4.1转速调节器的设计确定时间常数电流环等效时间常数11K。取5.0iITK，则：sTKi0074.00037.02211sTon01.0sTn174.00设计PI调节器，起传递函数为：ssKsWnnnASR1计算转速调节器参数按跟随性和抗扰性都较好的原则，取5h，则ASR的超前时间常数为：shTnn087.00174.05进而可求得，转速环开环增益：2224.39621sThhKnN可求得ASR的比例系数为：7.112)1(nmenRThTChK031040806焦荣涛84.2转速环仿真模型设计图4-1转速环仿真模型4.3转速环的系统仿真1）PI调节器按照计算出来的结果：sWASR48.1347.11。空载起动时波形为：图4-2转速环空载起动输出波形031040806焦荣涛92）满载运行时起动的波形：图4-3转速环满载高速起动输出波形3）抗干扰性的测试：图4-4转速环的抗干扰输出波形031040806焦荣涛105小结与体会这次课程设计中，我们学到了许多课堂上学不到的东西，尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多时间和精力。本次课程设计让我对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的核心内容---转速、电流反馈控制直流调速系统有了更深的理解，对典型I系统设计加深了认识。通过matlab的仿真，使我对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。课程设计是对我们在这学期学到的电力拖动自动控制系统这门课的理论知识的一个综合测评，是对我们将理论结合时间的综合能力的考查，是培养我们发现问题、解决问题的能力，是激发我们内在创新意识的途径。通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。《运动控制系统》课程设计说明书