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摘要调速系统调节器设计及变负载扰动下电流环突然断线matlab仿真1设计任务与分析初始条件：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桥式全控整流电路。系统基本数据如下：直流电动机：VUnom220，AInom136，min/1460rnnom，rVCemin/132.0，允许过载倍数5.1；时间常数：STL03.0STM18.0;晶闸管装置放大倍数：40SK电枢回路总电阻：R=0.5；电流反馈系数：)5.1/10(/049.0nomIVAV；转速反馈系数：)/10(min/00685.0nomnVrV设计要求：稳态指标：在负载和电网电压的扰动下稳态无静差动态指标：电流超调量%5i，空载启动到额定转速时的转速超调量%10n设计任务：1.系统参数的选取[给定环节及反馈环节的滤波时间常数（onT、oiT）（sT）]2.电流环的设计（电流环固有部分传函、选择电流调节器结构和参数、校验近似条件）3.速度环的设计（速度环结构图、速度调节器结构和参数、校验近似条件）设计任务分析：本课题要求设计电流环和转速环参数。根据稳态指标在负载和电网电压扰动下稳态无静差的要求，应该要选用积分或者比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以有阶跃扰动引起的稳态误差为0。考虑到系统响应的快速性，应该选用比例积分控制的系统。根据电流超调量要求，可以选用典型I型系统构成电流环。根据转速环超调量要求，可以选用典型II型系统构成转速环。要实现直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。2设计原理2.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成对于经常正、反转运行的调速系统，如龙门刨床、可逆轧钢机等，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好是电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。起动电流呈矩形波，转速按线性增长，这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）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，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。为了使转速和电流两种负反馈分别作用，可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，两者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图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、电流反馈控制直流调速系统。图1转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电子变换器*nU-转速给定电压nU-转速反馈电压*iU-电流给定电压iU-电流反馈电压2.2双闭环直流调速系统稳态结构图双闭环直流转速系统的稳态结构如图2所示，两个调节器均采用带限幅作业的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压*imU决定了电流给定的最大值，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。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变换不再影响输出，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见的联系，相当于使调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态,其作用是使偏差电压U在稳态时为零。图2双闭环直流调速系统的稳态结构图-转速反馈系数-电流反馈系数2.3双闭环直流调速系统动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示，图中)(SWASR和)(SWACR分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图中必须把电枢电流dI显露出来。图3双闭环直流调速系统的动态结构图2.4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。2.5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。2.6调节器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：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Ⅱ型系统作为系统设计的目标。11(1)()(1)miinrjjKsWssTs3调节器设计3.1系统参数的选取①整流装置滞后时间常数Ts。流装置用的是三相桥式全控整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。②电流滤波时间常数oiT，三相半波电路每个波头时间为0.0033s，为了基本滤平波头，应有（1-2）oiT=3.33ms，因此取oiT=2ms=0.002s。③转速滤波时间常数onT，根据所用测速发电机纹波情况，取onT=0.01s3.2电流调节器设计3.2.1电流调节器结构设计电流环的动态结构图如图4所示。对电流环来说，反电动势是一个变化缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即0E。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图4（a）所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：错误!未找到引用源。ci13mlTTω式中ωci——电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为*()iUsβ错误!未找到引用源。，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图4（b）所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。由于ST和oiT一般都比错误!未找到引用源。lT小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为isoiTTTΣ错误!未找到引用源。则电流环结构框图最终简化成图4（c）所示。简化的近似条件为ci113soiTTωssKWiiIACR)1(11.80037.003.0ssTTil图4电流环的动态结构图及其化简（a）忽略反电动势的动态影响（b）等效成单位负反馈系统（c）小惯性环节近似处理根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能：由上式可知，系统抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.2.2计算电流调节器参数11.1350037.05.05.0ssTKiI013.105.0405.003.01.135siIiKRKKcisssT11.1960017.03131cilmsssTT182.4003.018.01313cioissssTT18.180002.00017.0131131电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取iT=Ts+oiT=0.0037s。电流调节器超前时间常数：i=lT=0.03s。电流超调量%5i，则应取5.0iITK，因此于是，ACR的比例系数为3.2.3校验近似条件电流环截止频率：11.135sKIci晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。FFRCiii75.01075.06FFRTCoioi2.0102.04603.2.4计算调节器电阻和电容由图4，按所用运算放大器取kR400，各电阻和电容值为kkRKRiii52.4040013.1，取40k，取0.75F，取0.2F图5含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器图6校正成典型型系统的电流环动态结构框图按照上述参数，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。3.3转速调节器设计3.3.1转速调节器结构设计用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图7（a）。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成*()/nUs，再把时间常数为1IK和onT的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为nT的惯性环节，其中1onInTKT则转速环结构图可简化成图7（b）a）b）c）图7转速环的动态结构框图及其简化（a）用等效环节代替电流环（b）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理（c）校正后成为典型Ⅱ型系统为了实现无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，由于扰动作用点后面已经有一个积分环节，因此转速环中就有两个积分环节，应该设计为典型Ⅱ型系统，ASR也采用PI调节器，传递函数为(1)()nnASRnKsWss式子中nK为转速调节器比例系数，n为转速调节器超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为：2(1)()(1)nNnnKsWsSTs令转速环开环增益NK为：nNnemKRKCT按照典型Ⅱ型系统的参数关系，有nnhT2212NnhKhT所以IK1sTKiI0074.021sTKTonIn0174.01shTnn087.02221nNThhKnmenhaRTTChK2)1((1)