双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告Word下载.docx
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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,如图4.1。
把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流的输出去控制电力电子变换器UPE。
在结构上,电流环作为内环,转速环作为外环,形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态特性,转速和电流两个调节器采用PI调节器。
TG
n
ASR
ACR
U*n
+
-
Un
Ui
U*i
Uc
TA
V
M
Ud
Id
UPE
L
图4.1转速、电流双闭环调速系统
5、电机参数及设计要求
5.1电机参数
直流电动机:
220V,136A,1460r/min,Ce=0.192V•min/r,允许过载倍数=1.5,晶闸管装置放大系数:
Ks=40
电枢回路总电阻:
R=0.5
时间常数:
Tl=0.00167s,Tm=0.075s
电流反馈系数:
β=0.05V/A
转速反馈系数:
=0.007V•min/r
5.2设计要求
要求电流超调量σi≤5%,转速无静差,空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。
6、调节器的工程设计
6.1电流调节器ACR的设计
(1)确定电流环时间常数
1)装置滞后时间常数Ts=0.0017s;
2)电流滤波时间常数Toi=0.002s;
3)电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0037s;
(2)选择电流调节结构
根据设计要求σi≤5%,并且保证稳态电流无差,电流环的控制对象是双惯性型的,且Tl/Ti=0.03/0.0037=8.11<
10,故校正成典型
I
型系统,显然应采用PI型的电流调节器,其传递函数可以写成
WACRs=Kiτis+1τis
式中Ki—
电流调节器的比例系数;
τi—
电流调节器的超前时间常数。
(3)计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数:
τi=Tl=0.03s。
电流环开环增益:
要求σi≤5%时,取KITi=0.5,因此
KI=0.5Ti≈135.1s-1
于是,ACR的比例系数为
Ki=KIτiRKsβ≈1.013
(4)校验近似条件
电流环截止频率ωci=KI≈135.1s-1
1)校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足:
因为1/3Ts≈196.1s-1>
ωci,所以满足近似条件;
2)校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足:
31/TmTl≈40.82s-1<
3)
校验小时间常数近似处理是否满足条件:
(1/3)1/TmTl≈180.8s-1>
ωci,所以满足近似条件。
按照上述参数,电流环满足动态设计指标要求和近似条件。
同理,当KT=0.25时,可得Ki=0.5067τi=16.89;
当KT=1.0时,可得Ki=2.027τi=67.567
6.2转速调节器ASR的设计
(1)确定转速环时间常数
1)电流环等效时间常数为2Ti=0.0074s;
2)电流滤波时间常数Ton根据所用测速发电机纹波情况,取Ton=0.01s;
3)转速环小时间常数Tn=2Ti+Ton;
(2)转速调节器的结构选择
由于设计要求转速无静差,转速调节器必须含有积分环节;
又根据动态设计要求,应按典型型系统设计转速环,转速调节器选用比例积分调节器(PI),其传递函数为
WASRs=Knτns+1τns
式中Kn—
τn—
(3)选择转速调节器参数
按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5,则转速调节器的超前时间常数为
τn=hTn=0.087s,
转速开环增益为
KN=h+12h2Tn2≈396.4s-2
所以转速调节器的比例系数为
Kn=(h+1)βTmCe2hαRTn≈11.7
转速环截止频率ωcn=KNτn≈34.5s-1
1)校验电流环传递函数简化条件是否满足:
由于(1/3)KI/Ti≈63.7s-1>
ωcn,所以满足简化条件;
2)校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件:
由于(1/3)KI/Ton≈38.7s-1>
ωcn,所以满足近似条件。
3)核算转速超调量
当h=5时,∆Cmax/Cb=81.2%,而∆nN=INR/Ce=515.2rpm,因此
σn=(∆Cmax/Cb)×
2(λ-z)(∆nNTn)/(n*Tm)=8.31%<
10%
能满足设计要求。
7、仿真模型的建立
利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台,建立仿真模型。
如图7.1为电流环的仿真模型,图7.2为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。
图7.1电流环的仿真模型
_
图7.2转速环的仿真模型
8、仿真结果分析
当取Ki=1.013,τi=33.77时,电流环阶跃响应快,超调量小。
图8.1电流环仿真结果
当Ki=0.5067,τi=16.89时,电流环阶跃响应无超调,但上升时间长。
图8.2无超调的仿真结果
当Ki=2.027,τi=67.567时,电流环阶跃响应超调大,但上升时间短。
图8.3超调量较大的仿真结果
当Kn=11.7,τn=134.48时,图7.2中“step1”中“steptime”值为0,“finalvalue”值为10,代表空载状态,此时系统起动速度快,退饱和超调量较大。
图8.4转速环空载高速起动波形图
当Kn=11.7,τn=134.48时,图7.2中“step1”中“steptime”值为0,“finalvalue”值为136,代表满载状态,此时系统起动时间延长,退饱和超调量减小。
图8.5转速环满载高速起动波形图
当Kn=11.7,τn=134.48时,图7.2中“step1”中“steptime”值为1,“finalvalue”值为10,加入扰动瞬间系统曲线有波动,但迅速恢复稳定。
图8.6转速环的抗扰波形图
通过以上仿真分析,与理想的电动机起动特性相比,仿真的结果与理论设计具有差距。
为什么会出现上述情况,从理论的设计过程中不难看出,因为在“典型系统的最佳设计法”时,将一些非线性环节简化为线性环节来处理,如滞后环节近似为一阶惯性,调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。
经过大量仿真调试,改变电流和转速环调节器的参数,兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标。
9、心得体会
利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台对直流调速系统进行理论设计与调试,使得系统的性能分析过程简单且直观。
通过对系统进行仿真,可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差,逐步改进系统结构及参数,得到最优调节器参数,使得系统的调试得到简化,缩短了产品的开发设计周期。
该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。
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