直流双闭环系统设计

学号：0121111360105课程设计题目直流双环系统（一）及仿真分析（五）学院自动化学院专业自动化专业班级姓名指导教师2014年7月2日武汉理工大学《运动控制系统》课程设计课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：自动化学院题目:直流双环系统（一）的设计及仿真分析（五）初始条件：已知电动机参数：60,220,305,1000/min;NNNNPkWUVIAnr电动势系数0.196min/,eCVr电枢回路总电阻0.18,R触发整流环节的放大倍数35,sK电磁时间常数0.012,lTs机电时间常数0.12,mTs电流与转速反馈滤波时间常数00.0022,0.014ionTsTs；额定转速时的给定电压*10,nUV调节器ＡＳＲ，ＡＣＲ饱和输出电压*8,6.5imcmUVU。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）试设计该转速、电流双闭环V-M调速系统（由三相半波相控变流装置供电），要求系统的调速范围D=10，稳态转速无差，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。画出系统结构框图并计算：(1)电流反馈系数β（启动电流限制在３３９Ａ以内）和转速反馈系数α；(2)设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取040Rk）；(3)设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取040Rk）；(4)让电机空载启动到额定转速，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。时间安排：2014.6.21布置课程设计题目2014.6.22-6.27完成课程设计2014.6．28-7.1撰写课程设计报告2014.7.2答辩并上交报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《运动控制系统》课程设计目录摘要........................................................................11课程设计要求..............................................................21.1初始条件.............................................................21.2要求完成的任务......................................................22直流双环系统设计..........................................................32.1双闭环直流调速系统的组成.............................................32.2闭环直流调速系统的稳态结构...........................................52.3双闭环直流调速系统的动态结构........................................52.4双闭环直流调速系统两个调节器的作用...................................63系统参数计算...............................................................73.1系统参数选取及设计..................................................73.2电流环的设计........................................................73.3转速环的设计........................................................84MATLAB仿真...............................................................114.1系统仿真结构图......................................................114.2系统仿真结果及分析.................................................124.2.1系统仿真结果.....................................................124.2.2系统空载启动分析.................................................124.2.3系统稳定运行电磁减半分析..........................................135总结.....................................................................146参考文献.................................................................15本科生课程设计成绩评定表...................................................16武汉理工大学《运动控制系统》课程设计1摘要本课程设计是设计一个转速、电流双闭环V-M调速系统。转速、电流反馈控制直流调速系统是静态特性和动态特性优良、应用最广泛的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈,二者之间实行嵌套联接。本设计介绍了双闭环调速系统的基本原理，转速环、电流环的设计，最后使用Matalab中的Simulink对系统进行仿真验证。关键词：双闭环V-M调速系统、转速环、电流环、Matalab武汉理工大学《运动控制系统》课程设计21课程设计要求1.1初始条件已知电动机参数：60,220,305,1000/min;NNNNPkWUVIAnr电动势系数0.196min/,eCVr电枢回路总电阻0.18,R触发整流环节的放大倍数35,sK电磁时间常数0.012,lTs机电时间常数0.12,mTs电流与转速反馈滤波时间常数00.0022,0.014ionTsTs；额定转速时的给定电压*10,nUV调节器ＡＳＲ，ＡＣＲ饱和输出电压*8,6.5imcmUVU。1.2要求完成的任务试设计该转速、电流双闭环V-M调速系统（由三相半波相控变流装置供电），要求系统的调速范围D=10，稳态转速无差，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。画出系统结构框图并计算：（1）电流反馈系数β（启动电流限制在３３９Ａ以内）和转速反馈系数α；（2）设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取040Rk）；（3）设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取040Rk）；（4）让电机空载启动到额定转速，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。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计32直流双环系统设计2.1双闭环直流调速系统的组成双闭环（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。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)武汉理工大学《运动控制系统》课程设计4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，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。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，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；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双闭环直流调速系统原理图武汉理工大学《运动控制系统》课程设计52.2闭环直流调速系统的稳态结构双闭环直流调速系统的稳态结构如图2-3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。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。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，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图2-3双闭环直流调速系统的稳态结构图2.3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图如图2-4所示，图中WASR(s)和WACR(s)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框图中必须把电枢电流Id显露出来。图2-4双闭环直流调速系统的动态结构图武汉理工大学《运动控制系统》课程设计62.4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Um∗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Ui∗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。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计73.系统参数计算3.1系统参数选取及设计整流装置的滞后时