单闭环电压负反馈

《运动控制系统仿真》课程设计————单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真指导教师：杨战社张玉峰电气与控制工程学院自动化11021106050215宋富鹏单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真一、课设背景转速负反馈控制系统采用直流测速发电机检测转速，用速度的反馈量参与系统的控制。这样，当给定电压不变时，系统在扰动作用下都可维持电动机转速基本不变。测速发电机安装时必须保证它的轴与主电动机的轴严格同轴。如果不同轴，运转时若系统产生机械振荡，在电器上是无法克服的，因此安装麻烦，维护起来也不方便，况且反馈信号中的各种交流纹波也必须在调试与运行时予以考虑及重视。某些主电动机只有一端有伸出轴与变速箱和生产机械连接，而另一端无伸出轴或不易接测速发电机，这样在一些调速指标要求不高的场合，人们便采用更简便、经济的电压负反馈以构成电压负反馈控制系统。电压负反馈控制系统与转速负反馈控制系统相比，调速指标低，可采用电流补偿（IR）的办法解决，这样可使系统简单，指标也可达到满意的程度。二、课设原理要构成电压负反馈调速系统，就必须设置电压调节器，同时取电压反馈量参与控制。这样系统就可维持被检测的电压不变。与转速负反馈调速系统相比，电压负反馈控制系统只是将转速负反馈中的测速发电机换成具有分压作用的电位器。电压检测点接在电枢两端，以电压检测点为界，将V-M回路总电阻等效为两部分。检测点右侧为电动机电枢电阻，左侧电阻有平波电抗器电阻、变压器等效电阻、晶闸管电路由于变压器漏抗引起的等效电阻等（统称为晶闸管整流装置的内阻）。图.电压负反馈调速系统电压负反馈调速系统只用一个电位器取代了转速负反馈调速系统的检测元件—测速发电机，使系统变得简单、经济。但其损失的是调速指标，即电枢电阻压降引起的转速降不能弥补。因此，我们可以采用补偿的办法弥补电枢电阻上的压降。将电枢电流取出来参与控制，此信号与给定信号极性相同，所以称为电流正反馈，其实是一种电流补偿而不是真正意义上的正反馈。图.带电流补偿的电压负反馈调速系统三、课设目标某晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统：（1）给定参数①电动机参数:2.0min,/1460,136,220RnIUanomnomnomrAV，允许过载倍数5.1;②电枢回路总电阻:5.0R;③电动机轴上的总飞轮力矩：22.N5.22GDm。④晶闸管装置参数：放大系数40sK，电流反馈系数A/V05.0，转速反馈系数r/minV007.0，滤波时间常数soi02.0T，son01.0T。（2）设计指标①系统无静差；②转差率5%。四、课设方案（1）主电源采用380V电源供电，经电力电子变换后作为电动机供电输入。（2）AVR采用PI调节器，电压反馈靠电位器分压实现，电流补偿检测靠霍尔电流传感器实现。（3）采用晶闸管三相桥式全控电路作为整流电路。（4）整流电路设置有过流保护。（5）系统结构图图.电压负反馈调速系统动态结构图图.电压负反馈调速系统稳态结构图图.带电流补偿的电压负反馈调速系统稳态结构图五、主要器件选择（1）整流二极管的选择根据二极管的最大整流平均fI和最高反向工作电压RU分别应满足：A8.742/1361.121.1I)(fAVoIV2.34222021.121.1U2RU选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号正向平均整流电流oI（A)反向重复峰值电压URM（V)瞬间平均正向压降FU（V)额定正向平均电流FI（A)MR2504G254001.1878.5在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC（3~5）T/2，且有：V18895.02209.0Umaxd（V)2.00.51C2，即C15000uF因此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为22000uF。（2）晶闸管的选择最大工作电流Imax≈2Us/R=440/0.5=880(A)集电极－发射极反向击穿电压）（CEOBV）（CEOBV≥(2～3)Us=440～660v六、AVR调节器设计图.含滤波电容的AVR电路原理图为使系统无静差，因此电压调节器选用PI调节器。相关参数计算如下：sHRLTl03.05.0015.0rrAVnRIUCnomanomnomemin/V132.0min/14602.0136220rVrVCCemmin/261.1min/132.055.955.9srVrVmNCCRGDTmem18.0min/261.1min/132.03755.0.5.2237522min/5.512132.01365.0rCRInedop，min/84.3%9520%51460)1(rsDsnnNcl，46.138184.35.5121clopnnKVRIUUrecdda2.1793.01362200，056.02.17910anmauUUUU81.61056.04046.138spKKK，sTTTo0117.00017.001.0nsv（三相桥式电路平均失控时间为sTs0017.0）按典II系统进行设计，并取h=5,则：shTv0585.00117.05v故调节器传递函数为:sssWPI0585.0)10585.0(81.61)(七、调速系统静特性电压负反馈调速系统转速静特性方程为：deaderecenspICRIKCRKCUKKn)1()1(，（spKKK）带电流补偿的电压负反馈静特性为：despdeaderecenspIKCKKICRIKCRKCUKKn)1()1()1(，（spKKR）图.转速静特性曲线八、系统仿真单闭环电压负反馈调速系统的仿真是在MATLAB下的SIMULINK下进行仿真，仿真过程如下：（1）仿真结构图（2）参数设置（3）仿真结果以下为分别在空载及额定负载情况下进行仿真的结果。（4）仿真结果分析由仿真结果可知，采用PI调节器实现了稳态时转速无静差，但快速性较差，在起动过程中且存在超调，这种超调是经历了饱和非线性区域之后的超调，可以称作“退饱和超调”。参考文献【1】阮毅．电力拖动自动控制系统——运动控制系统．北京：机械工业出版社2009.8【2】张荣巍，李汉强．运动控制系统．武汉：武汉理工大学出版社第1版2006【3】洪乃刚．电力电子电机、控制系统仿真技术．北京：机械工业出版社第1版．2013【4】王兆安刘进军.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009.附录：原理图心得体会历经一周的课程设计结束了，这一周虽然过得很快，但收获却颇多，不但学会了直流调速系统的设计，而且知道如何用MATLAB仿真。我们设计的课题是单闭环电压负反馈直流调速系统，通过这次单闭环电压负反馈直流调速系统的设计与仿真，我学会了利用MATLAB中的仿真工SIMULINK对所设计的单闭环电压负反馈直流调速系统的阶跃信号进行了仿真，得出了系统的特性曲线，并绘制出各单位扰动曲线。由仿真结果表明：利用MATLAB的SIMULINK对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的动态性能，从而使对系统的分析和设计变得更方便，在很大程度上挺高了系统设计效率。并通过这次的实习对单闭环系统的专业知识有了更进一步的了解，例如在设计PI调节器时，选择比例积分参数，既要求PI控制调速系统的稳定性好，又要求系统的快速性好，同时还要求稳态精度高和抗干扰性能好。但是这些指标都是互相矛盾的，设计时往往需要用如根轨迹法、频率法中的博德图、工程设计法等多种手段，反复试凑。在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。这次实习让我掌握了基本的MATLAB仿真技术，这将对以后更深入的学习使用MATLAB奠定良好的基础。在此，感谢实习中兢兢业业的老师们！