转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计样本.docx

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转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计样本

《运动控制系统》课程设计

题目:

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

1.设计题目

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

2.设计任务

已知某晶闸管供电双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：

1）直流电动机：

160V、120A、1000r/min、Ce=0.136Vmin/r，容许过载倍数λ=1.4

2）晶闸管装置放大系数：

Ks=30

3）电枢回路总电阻：

R=0.4Ω

4）时间常数：

Tl=0.023s，Tm=0.2s，转速滤波环节时间常数Ton取0.01s

5）电压调节器和电流调节器给定电压均为10V

试按工程设计办法设计双闭环系统电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真成果。

系统规定：

1）稳态指标：

无静差

2）动态指标：

电流超调量σi≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn≤10%

3.设计规定

依照电力拖动自动控制理论，按工程设计办法设计双闭环调速系统环节如下：

1）设计电流调节器构造和参数，将电流环校正成典型I型系统；

2）在简化电流环条件下，设计速度调节器构造和参数，将速度环校正成典型II型系统；

3）进行Simulink仿真，验证设计有效性。

4.设计内容

1）设计思路：

带转速负反馈单闭环系统，由于它可以随着负载变化而相应变化电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降变化，因此相对开环系统它可以有效减少稳态速降。

当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依托被调量偏差进行控制，因而是有静差率调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差状况下保持恒速，实现无静差调速。

对电机启动冲击电流以及电机堵转时堵转电流，可以用附带电流截止负反馈作限流保护，但这并不能控制电流动态波形。

按反馈控制规律，采用某个物理量负反馈就可以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应当可以得到近似恒流过程。

此外，在单闭环调速系统中，用一种调节器综合各种信号，各参数间互相影响，难于进行调节器参数调速。

例如，在带电流截止负反馈转速负反馈单闭环系统中，同一调节器肩负着正常负载时速度调节和过载时电流调节，调节器动态参数无法保证两种调节过程均具备良好动态品质。

按照电机抱负运营特性，应当在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，又但愿只有转速反馈，双闭环调速系统静特性就在于当负载电流不大于最大电流时，转速负反馈起重要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起重要作用，得到电流自动保护。

2）双闭环调速系统构成：

a.系统电路原理图

图2-1为转速、电流双闭环调速系统原理图。

图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，两者串级连接，即把转速调节器输出作为电流调节器输入，再用电流调节器输出去控制晶闸管整流器触发装置。

电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。

两个调节器输出都带有限幅，ASR输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR给定电压最大值Uim，对就电机最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。

b.系统动态构造图

图2-2为双闭环调速系统动态构造框图，由于电流检测信号中常具有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。

滤波环节可以抑制反馈信号中交流分量，但同步也给反馈信号带来了延滞。

为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一种相似时间常数惯性环节，称作给定滤波环节。

其作用是：

让给定信号和反馈信号通过同样延滞，使两者在时间上得到恰当配合，从而带来设计上以便。

由测速发电机得到转速反馈电压具有电机换向纹波，因而也需要滤波，滤波时间常数用Ton表达。

依照和电流环同样道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton给定滤波环节。

3）按工程设计办法设计双闭环系统ACR：

设计多环控制系统普通原则是：

从内环开始，一环一环地逐渐向外扩展。

在这里是：

先从电流环入手，一方面设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中一种环节，再设计转速调节器。

a.拟定期间常数

整流滤波时间常数Ts，三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s；

电流滤波时间常数Toi，三相桥式电路每个波头时间是0.0033s，为了基本虑平波头，应有（1～2）Toi=0.0033s，因而取Toi=2ms=0.002s；

电流环小时间常数T∑i，按小时间常数近似解决，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。

b.选取电流调节器构造

由设计规定：

σi%≤5%，并保证系统稳态电流无误差，因而可按典型I型系统设计，电流调节器选用PI型，其传递函数为:

WACR（s）=

c.校验近似条件

电流环截止频率

；

晶闸管装置传递函数近似条件为：

=196.1，满足近似条件；

忽视反电动势对电流环影响条件为：

=44.2，满足近似条件；

小时间常数近似条件解决条件为：

=180.8，满足近似条件。

d.计算调节器电阻和电容

电流调节器原理如图3－1所示，按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如下：

，取30k。

，取0.75。

按照上述参数，电流环可以达到动态指标为：

σi%=4.5%<5%，满足设计

4）按工程设计办法设计双闭环系统ASR：

a.拟定期间常数

电流环等效时间常数为

；

转速滤波时间常数Ton，依照所用测速发电机波纹状况，取Ton=0.01s；

转速环小时间常数

按小时间常数近似解决，取

=

。

b．选取转速调节器构造

由于设计规定无静差，转速调节器必要具有积分环节；又依照动态规定，应按典型Ⅱ型系统设计速度环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为：

c.计算速度调节器参数

按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5，则ASR超前时间常数为：

，

转速环开环增益：

于是，ASR比例系数:

=12.9

d.校验近似条件

由转速截止频率：

;

电流环传递函数简化条件：

满足简化条件;

转速环小时间常数近似条件为：

满足近似条件。

e.计算调节器电阻和电容

转速调节原理图如图3－2所示，取

，则

，取550k。

，取0.150。

按照上述参数，电流环可以达到动态指标为：

当h=5时，查表得%，虽然不满足设计规定，而事实上，突加阶跃给定期，ASR饱和，应按退饱和状况重新计算超调量，实际%,满足设计规定。

5）内、外开环对数幅频特性比较

图4－1把电流环和转速环开环对数幅频特性画在一张图上，其中各转折频率和截止频率依次为：

，

，

，

。

以上频率一种比一种小，从计算过程可以看出，这是必然规律。

因而，这样设计双闭环系统，外环一定比内环慢。

普通来说，

，

。

从外环响应速度受到限制，这是按上述办法设计多环控制系统时缺陷。

然而，这样一来，每个环自身都是稳定，对系统构成和调试工作非常有利。

总之，多环系统设计思想是：

以稳为主，稳中求快。

6）晶闸管电压、电流定额计算

a.晶闸管额定电压UN

晶闸管额定电压必要不不大于元件在电路中实际承受最大电压Um，考虑到电网电压波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍安全系数，即按下式选用UN＝（2～3）Um，式中系数2～3取值应视运营条件，元件质量和对可靠性规定限度而定。

b.晶闸管额定电流IN

为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流有效值来计算其电流额定值。

即必要使元件额定电流有效值不不大于流过元件实际电流最大有效值。

可按下式计算：

IN=（1.5~2）KfbIMAX。

式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路支路数。

当α=0时，三相全控桥电路Kfb=0.368,故计算晶闸管额定电流为IN=（1.5~2）KfbIMAX=（1.5~2）×0.368×（220×1.5）=182.16～242.88A，取200A。

7）平波电抗器计算

由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器电感量时，要从依照等效电路折算后求得所需电感量中，扣除上述两种电感量。

a.电枢电感量LM按下式计算

P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对普通无补偿电机：

KD=8~12。

b.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相漏电感LB按下式计算

U2—变压器次级相电压有效值，Id—晶闸管装置直流侧额定负载电流，KB—与整流主电路形式关于系数。

c.变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流持续时电抗器电感量L按下式计算

，

K是与整流主电路形式关于系数，三相全控桥K取0.693则L＝17.01（mH）.

6）进行Simulink仿真，验证设计有效性

a.电流闭环仿真

如下图：

为了研究系统参数对动态性能影响，分别取KIT∑i=0.39、0.50、0.69、1.00，此时KI值也会随之变化，运营仿真，即可得不同KI值阶跃响应曲线：

图6-1KT=0.39阶跃响应曲线

图6-2KT=0.50阶跃响应曲线

图6-3KT=0.69阶跃响应曲线

图6-4KT=1.00阶跃响应曲线

由曲线可以看出如果规定动态响应快，可取KT=0.69-1.0；如果规定系统超调小，则应把KT值取小些，可取KT<0.39;无特殊规定，取折中值KT=0.5，，称为最佳二阶系统。

图6-1~图6-4反映了PI调节器参数对系统品质影响趋势，在工程设计中，可以依照工艺规定，直接修改PI调节器参数，找到一种在超调量和动态响应快慢上都较满意电流环调节器。

b.转速环仿真设计

在增长转速环调节后，转速环开环传递函数如下：

校正后调速系统动态构造框图如下所示：

其中

。

在matlab中搭建好系统模型，如下图：

转速环仿真设计

为满足系统在不同需求下跟随性与抗扰行能规定，取h之分别为：

3、5、7、9.

用matlab仿真成果如下：

图7-1h=3时阶跃响应曲线

图7-2h=5时阶跃响应曲线

图7-3h=7时阶跃响应曲线

图7-4h=9时阶跃响应曲线

由图可以看出：

h值越小，动态降落也越小，恢复时间、调节时间也短，抗扰性能也越好，但是，从h<5后来，由于震荡激烈h越小，恢复时间反而延长，综合起来看，h=5是最佳选取，也即最佳三阶系统。

对电流环与转速环都是依照实际需要调节参数，对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现：

Ⅰ型系统可以在跟随性上做到超调小，但抗扰性能差；而Ⅱ型系统超调却相对较大，抗扰性能较好。

5.设计心得

a.通过该次设计，更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统构造构成以及它工作原理，加深了对开环、闭环有静差、无静差调速理解---闭环构造保证系统稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系统有较低稳态误差。

b.由此也初步掌握双闭环调节器整个设计过程，其基本思想是先内环再外环。

在构造框图解决过程中有多处近似解决，简化了传递函数，从而使问题得到简化，因而称为被称为“工程设计办法”，这意味着在实际应用中，在可以大大简化分析过程却很小影响分析成果办法是很有价值。

从开环到闭环、从闭环无静差到有静差、从单环到双环着某些列变化显示人们人知渐进性。

c.matlab仿真是自己暂时拾起matlab课本重新回顾才完毕，仿真直观证明了最佳二阶、三阶系统参数，并再一次体现了matlab在控制中重要作用，确是一种很强大仿真工具。

整个仿真过程也加深了自己对电力拖动控制有关知识理解限度，相称于也许通过证明才是最可靠。

d.由于水平有限，设计中必定有许多错误和局限性地方，敬请教师指正。

6．参照文献

【1】陈伯时，电力拖动自动控制系统。

机械工业出版社。

.09

【2】李荣生，电气传动控制设计指引。

机械工业出版社。

.09