直流双环系统(一)的设计及仿真分析(一)

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计目录摘要...........................................................11.直流双环系统设计............................................11.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成......................11.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构..................21.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构..................32.转速、电流双闭环直流调速系统的参数计算.......................42.1系统参数选取及设计......................................42.2电流调节器的设计........................................42.3速度调节器的设计........................................63.转速、电流双闭环直流调速系统的仿真..........................83.1系统仿真图的绘制........................................83.2仿真结果图..............................................93.3仿真结果分析...........................................104.心得体会....................................................115.参考文献....................................................12武汉理工大学《运动控制系统》课程设计1直流双环系统的设计及仿真分析摘要本次课程设计是对直流双闭环系统进行设计和仿真分析，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，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。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了理论分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些简要说明，阐述了其主电路、电流转速两个调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。最后利用MATLAB进行仿真，让电机满载启动到额定转速，稳定运行后电动机磁场减少一半，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。关键词：直流双环系统转速调节器电流调节器MATLAB1.直流双环系统设计1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流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。在起动过程中，应始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流武汉理工大学《运动控制系统》课程设计2负反馈发挥作用。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，本系统设计中设置两个调节器，分别用来调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。图1-1转速、电流反馈控制直流调速系统原理图1.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构双闭环直流调速系统的稳态结构如图1-2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图1-2中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压ΔU在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于ASRACRUPETGM*nU*iUcUiUdUdInnUTA~In武汉理工大学《运动控制系统》课程设计3静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。当ASR处于饱和状态时，Id=Idm,若负载电流减小，IdLIdm，使转速上升，nn0，Δn0，ASR反向积分，从而使ASR调节器退出饱和，又回到线性调节状态。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。图1-2双闭环直流调速系统的稳态结构图1.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构双闭环直流调速系统的动态结构如图1-3所示：武汉理工大学《运动控制系统》课程设计4图1-3双闭环直流调速系统的动态结构图2.转速、电流双闭环直流调速系统的参数计算2.1系统参数选取及设计整流装置的滞后时间常数TS。三相半波电路的平均失控电压TS=mf210.0033S。电流反馈系数80.0236/339imdmUVVAIA。转速反馈系数100.01min/1000/minnNUVVrnr。2.2电流调节器的设计（1）确定时间常数电流环小时间常数iT。按小时间常数近似处理，取0.0055isoiTTTs。（2）根据设计要求i≤5%，并保证稳态无误差，因此选择PI型电流调节器，其传递函数为ssKSWiiiACR)1()(武汉理工大学《运动控制系统》课程设计5检查对电源电压的抗扰性能：0.0122.180.0055liTT，参照典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表，可知道该典型I型系统动态性能各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：0.012ilTs电流环开环增益：要求i5%时，由典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表可知，应取5.0iITK,因此10.590.9IiKsT于是ACR的比例系数为0.238IiisKRKK（4）检验近似条件电流环节截止频率为：190.9ciIKS1)晶闸管传递函数的近似条件111101.0130.0099cissT满足近似条件2）忽略反电动势对电流环动态影响的条件1113379.060.120.012cimlsTT满足近似条件2)电流环小时间常数处理11111123.7330.00330.0022cisoisTT满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容因为040Rk，，所以各电阻和电容值为：00.0238409.52iiRKRkk1.26iiiCFR武汉理工大学《运动控制系统》课程设计6040.22oioiTCFR参照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%5%，满足设计要求所以电流环的传递函数为()(1)0.238(0.0121)0.012iiACRiKssWss2.3速度调节器的设计（1）确定时间常数电流环等小时间常数IK1。IK1=2iT=2×0.0055s=0.011S转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取nT=IK1+onT=0.011+0.014=0.025s（2）转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为ssKSWnnnASR)1()(（3）计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取3h，则ASR的超前时间常数为30.0250.075nnhTss转速开环增益2221355.62NnhKshT于是ASR的比例系数为(1)8.222nemnhCTKhRT(4)检验近似条件武汉理工大学《运动控制系统》课程设计7转速截止频率为1355.60.07526.7cnNnKs1)电流环传递函数简化条件11190.942.9330.0055IcniKsT满足近似条件2）转速环小时间常数近似条件为11190.926.9330.014IcnonKsT满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容由于040Rk，所以各个电阻和电容值为：08.2240328.8nnRKRkk0.228nnnCFR041.4ononTCFR（6）校核转速超调量当3h时，由典型型系统阶跃输入跟随性能指标表查得，n=52.6%，不能满足设计要求。实际上，由于典型型系统阶跃输入跟随性能指标表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。由典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表查得当3h时，max/72.2%bCC，1.1dmNII所以mnNbnTTnnZCC*max2%10%27.912.0025.01000196.018.03051.1%2.722武汉理工大学《运动控制系统》课程设计8能满足设计要求.所以，根据上述参数，速度环传递函数为：()(1)8.22(0.0751)0.075nnASRnKssWss3.转速、电流双闭环直流调速系统的仿真3.1系统仿真图的绘制按照直流双闭环调速系统动态结构图，并根据计算得出的各参数可绘制出直流双闭环系统结构图如图3-1所示，转速环和电流环分别如图3-2,3-3所示：图3-1总结构图图3-2转速环ASR武汉理工大学《运动控制系统》课程设计9图3-3电流环ACR3.2仿真结果图电机转速n仿真波形：武汉理工大学《运动控制系统》课程设计10直流电动机负载电流Id仿真波形：3.3仿真结果分析从波形中也可以看出，在启动中转速调节器经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，整个动态过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。第一阶段突加电压，电枢电流迅速上升，速度调节器的输入很快达到限幅值。第二阶段，ASR始终饱和，转速环相当于开环，保持电流恒定，拖动系统恒加速，转速线形增加。第三阶段，当转速达到给定值之后，转速调节器和电流调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调之后，转速调节器输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线形调节阶段，使速度恒定不变，实际仿真结果基本上符合理论分析。转速调节器的作用是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，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；它对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作为内环