运控项目1

评分：_________SHANGHAIUNIVERSITY课程项目COURSEPAPER双闭环直流调速系统仿真学院机自学院专业电气工程及其自动化学号姓名课程运动控制系统打印日期2016-5-10双闭环直流调速系统仿真对习题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s。具体要求如下：在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60NPkW,220NUV,308NIA,1000Nnr/min,电动势系数eC=0.196V·min/r,主回路总电阻R=0.18Ω,变换器的放大倍数sK=35。电磁时间常数lT=0.012s,机电时间常数mT=0.12s,电流反馈滤波时间常数iT0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数nT0=0.015s。额定转速时的给定电压(Un*)N=10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V,Ucm=7.98V。系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i≤5%,空载起动到额定转速时的转速超调量n≤10%。试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.5NI以内)和转速反馈系数α。（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR。（3）在matlab/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn。并与仿真结果进行对比分析。（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。（6）在5s突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。1.确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.5NI以内)和转速反馈系数α。在草稿纸上计算，1.5太大，取1.1AVI/0236.03081.18n1.1*UimrVNmin/01.0100010n(Un*)N2.试设计电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器设计：(1)确定时间常数：)0.00333saTs)0.0025oibTs0)0.00250.003330.00583iiscTTTs（2）电流调节器结构确定：因为5%i，可按典型I型系统设计，选用PI调节器，(1)()iiACRiKSWSS,（3）电流调节器参数确定:1IIli76.8500583.021T21K5.0TK0.012siisT，，选，224.00236.03518.0012.076.85KsRKiIiK（4）校验近似条件：电流环截止频率：185.76ciIKs11011)1101.01330.0033311)3379.060.120.0121111)115.52330.003330.0025ciScimlcisiaTbSTTcsTT电力电子装置传递函数的近似条件：忽略反电势的影响的近似条件：电流环小时间常数的近似条件：可见满足近似等效条件，电流调节器的实现：选040RK,则：KKRKR96.840224.00ii取10KFFRC2.1100010012.0iii取1µFFC25.0100040025.04R4T00ii0取0.25µF按照上述参数，电流环的超调量%5%3.4i满足设计要求速度调节器设计：（1）确定时间常数：a)电流环等效时间常数IK1:因为0.5IiKT则s01666.000583.0221iTKIb)0.015onTsc)s02666.0015.001166.01onnTKTI（2）速度调节器结构确定：按照无静差的要求，应选用PI调节器，(1)()nnASRnKsWss,速度调节器参数确定：,5,0.1333nnnnhThhTs取2222216168.822250.02666(1)60.02360.1960.126.942250.010.180.02666NnemnnhKshThCTKhRT（3）校验等效条件：11/168.820.133322.5cnNNnKKs1101185.76)40.43330.005831185.76)25.2330.015IcniIcnnKasTKbsT电流环近似条件：转速环小时间常数近似：可见满足近似等效条件。转速超调量的校验(空载Z=0）%2.1112.002666.01000196.018.03081.1812.02)(CC2%bmaxnmnNTTZnn转速超调量的校验结果表明，上述设计不符合要求。因此需重新设计。查表，应取小一些的h，选h=3进行设计。按h=3，速度调节器参数确定如下：0.07998nnhTs22656.31202666.0924h21hn2STKN6.702666.018.001.03212.0196.00236.042)1(hnnRThTCKme校验等效条件：1-1Ncn25s0.07998312.656nKNKa）cnTKI1-s43.4000583.076.853131ib）cns2.25015.076.8531311-onTKI可见满足近似等效条件。转速超调量的校验：%10%97.912.002666.01000196.018.03081.1722.02mn-CCmax2n%n*bnTTZN）（转速超调量的校验结果表明，上述设计符合要求。速度调节器的实现：选040RK,则07.640304nnRKRK,取310K。FC258.0100031007998.0Rnnn,取0.258µFFRTC5.1100040015.04on4on0,取1.5µF3.在matlab、simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。图1双闭环调速系统的仿真图转速调节器积分部分限幅时的仿真波形：图2转速、电流仿真波形图3转速调节器输出波形图4转速调节器积分部分输出波形转速调节器积分部分不限幅时的仿真波形：图5转速、电流仿真波形图6转速调节器输出波形图7转速调节器积分部分输出波形图2，空载起动时，积分部分限幅时，超调量小，振荡次数少，起动快，调节时间小。图5，空载起动时，积分部分不限幅时，超调量很大，振荡次数多，起动慢，调节时间大。分析原因：当ASR转速调节器积分部分不限幅时，转速调节器达到限幅值时，转速还未达到额定转速，偏差均大于零。有偏差，积分部分的输出就一直在增大，这就导致使积分部分输出的值变得很大。当转速达到额定转速时，积分调节器的输出不能立即变小，而是需要经过一段时间使积分调节器的输出恢复到开始限幅瞬间的数值。在这段时间内调节器暂时失去调节功能，导致ASR在很长时间内都是限幅输出（8V），电机转速一直在增加，所以ASR积分部分不限幅时，转速超调较大，起动时间较长，调节时间较长。4.40%额定负载起动到最低转速时:%35.612.002666.01000196.018.03084.0-1.10.7222n-max2n%*bbn）（）（TmTZCCn由于是带40%额定负载起动，所以Idl=0.4×308=123.2A，这时转速、电流波形仿真波形如8图所示：图8带40%额定负载起动的转速、电流波形读图，知1090r/minmaxn，故%9%10010001000-1090*n*-n%nnmax，与理论计算基本相符。5、估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。仅考虑起动过程的第二阶段：222()(),()375375375mdmdLdmdLeLdmdLememeGDdndnCIIRIIRTTIIGDGDRdtdtCTCCC根据电机运动方程：所以：*0.196*0.12*10000.385()(1.1*3080)*0.18emdmdLCTntsIIR图9空载起动时转速、电流波形仿真图第二阶段达到额定转速时所用时间t=0.44s，略大于理论值。6、在5s突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。图10转速、电流输出波形仿真图图11ASR输出波形仿真图图12ASR积分输出波形仿真图波形变化分析：5s前的波形和前面空载时波形一致。在5s时间突加40%额定负载IdL=0.4dnI=123.2A。Ⅰ段：加负载导致n↓，ASR未饱和，在ASR作用下，，当，diIUId=Idm时，n停止下降。Ⅱ段：由于n小于给定值，ASR未饱和，在ASR作用下，，当，diIUn=Nn，电流达到最大值，电流超调。Ⅲ段：此时，dnd0.4II，，n这时候转速超调，nU为负，使diIU，，直到，dndII转速n达到最大值。此后dnd0.4II，系统减速，直到稳定。稳定时，dndNIInn4.0,。其中ASR与ACR输出波形均为经限幅后的输出波形。