直流双环系统(三)的设计及仿真分析(三).doc

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学号：

课程设计

题目

直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三）

学院

自动化学院

专业

自动化专业

班级

1005班

姓名

指导教师

刘芙蓉

2014

年

01

月

10

日

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

自动化1005班

指导教师：

刘芙蓉工作单位：

自动化学院

题目:

直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三）

初始条件：

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：

Unom=220V，Inom=136A，nnom=1460r/min，，允许过载倍数，额定转速时的给定电压调节器ＡＳＲ，ＡＣＲ饱和输出电压。

时间常数：

TL=0.03s，Tm=0.18s，晶闸管装置放大倍数：

KS=40，电枢回路总电阻：

R=0.5Ω。

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）

试对该系统进行动态参数设计。

设计指标：

稳态无静差，电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间。

画出系统结构框图并计算：

（1）电流反馈系数β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）；

（3）设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取）；

（4）让电机带载（带一半额定负载）启动到额定转速，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：

2013.12.25布置课程设计题目

2013.12.26-2013.12.29完成课程设计

2013.12．30–2014.1.3撰写课程设计报告

2014.1.6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

目录

摘要 1

直流双闭环控制系统的设计 2

1直流双环系统工作原理 2

1.1直流双环系统的组成框图 2

1.2直流双环系统的数学模型 3

1.2.1直流双环系统的稳态（静态）数学模型 3

1.2.2直流双环系统的动态数学模型 3

1.3直流双环系统的动态过程描述 4

2调节器的工程设计方法概述 6

3直流双环系统的动态设计与校验 6

3.1直流双环系统电流环设计 6

3.1.1电流环调节器结构选择 6

3.1.2电流环调节器参数计算 7

3.1.3电流环设计校验近似条件 7

3.1.4计算电流调节器电阻和电容 8

3.2直流双环系统转速环设计 9

3.2.1转速环调节器结构选择 9

3.2.2转速环调节器参数计算 9

3.2.3转速环设计校验近似条件 10

3.2.4计算转速调节器电阻和电容 10

4直流双环系统MATLAB/SIMULINK仿真 12

4.1直流双环系统电流环仿真 12

4.2直流双环系统总体仿真 13

5心得体会 16

参考文献 17

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

摘要

运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象、以控制器为核心、以电力电子功率变换装置为执行机构、在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

按照控制对象的不同可分为直流调速系统和交流调速系统，直流调速系统以直流电动机为控制对象；交流调速系统以交流异步电动机和交流同步电机为控制对象。

在实际的应用过程中按照不同的需求选用不同类型的电动机和不同的控制方法构成各种不同的运动控制系统。

直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。

换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。

这些特点使得直流电动机的控制相对容易，经过长时间的发展已经形成了各种成熟的控制方法。

本文讨论了直流电动机的双闭环控制系统的设计与分析，主要介绍了双环系统的组成，然后按照题目要求运用工程设计方法对双环系统的各个参数进行整定，并运用MATLAB/Simulink对控制系统进行建模仿真，验证控制系统的工作性能是否满足设计要求。

关键词：

直流电动机；双环系统；MATLAB/Simulink

直流双闭环控制系统的设计

1直流双环系统工作原理

直流双闭环系统是从转速单闭环系统发展而来，由于双环系统有电流、转速两个反馈，构成两个闭合回路，“双闭环”由此而得名，工程上“双闭环控制系统”又称为“串级控制系统”。

传统的采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：

要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

人们通过分析发现通过控制电枢电流进而控制电磁转矩是获得高调速性能的根本，通过增加对电枢电流的控制不仅可以获得良好的起制动性能，而且可以有效的防止电机在过载和堵转时的过电流从而保护电机。

基于上述的思路人们在系统中设置了两个调节器，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，实现了转速和电流两种负反馈分别起作用，起动过程主要控制电流，系统中只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，主要控制转速，只有转速负反馈，没有电流负反馈。

这样电流环、转速协调控制很好的满足了实际的控制需求。

1.1直流双环系统的组成框图

如前所述双环系统有两个环从而需要两个调节器，分别为内环调节器ACR（转速调节器）、外环调节器ASR（转速调节器），ASR的输出为ACR的给定，由此构成内外双环结构，直流双环系统的组成框图如图1.1所示。

图1-1直流双闭环系统的组成框图

1.2直流双环系统的数学模型

为了便于对调速系统分析，并利于后面运用工程方法设计控制器需要对控制系统进行建模，得到其数学模型，模型分两种一种是稳态数学模型，另外一种是动态数学模型，分别用于分析系统的稳态性能如静差率、调速范围、稳态误差等及系统的动态性能如上升时间、超调量、最大动态偏差、调节时间等。

1.2.1直流双环系统的稳态（静态）数学模型

将双环系统的各个环节稳态时的输入与输出的关系写出来，然后首尾相连即可得到图1-2所示的数学模型。

图1-2直流双环系统的稳态（静态）数学模型

上图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器。

为电力电子功率变换装置的放大倍数，R是电枢回路总电阻包括电力电子变换器内阻、电枢电阻及可能在主电路中接入的其他电阻，为电动机在额定励磁下的电动势系数，为转速反馈系数，为电流反馈系数。

当ASR与ACR采用PI调节器时可以做到转速无静差。

1.2.2直流双环系统的动态数学模型

考虑双环系统各个环节的动态输入输出关系，然后首尾相接可以得到系统的动态数学如图1-3所示。

图1-3直流双环系统的动态数学模型

其中是电力电子功率变换转换装置的时间常数，不同的变换装置其不同；是电枢回路的电磁时间常数；是电力拖动系统的机电时间常数。

1.3直流双环系统的动态过程描述

此处主要针对起动过程做如下分析：

双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图1-4中。

图1-4直流双环系统的转速电流动态过程

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。

其中第I阶段为电流上升阶段，第II阶段为恒流升速阶段，第III阶段为转速调节阶段，具体分析过程在任何一本运动控制教材中均有详细描述，此处不再赘述。

从对起动过程的分析可以总结出ASR与ACR的作用如下：

（1）ASR作用：

转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化,如果采用PI调节器，则可实现无静差；对负载变化起抗扰作用其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

（2）ACR作用：

在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流；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。

2调节器的工程设计方法概述

通过事先对由经典控制规律与典型环节组成的典型系统做深入的研究，把他们的开环对数频率特性当作预期特性，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来进行参数计算，以简化设计过程。

工程设计方法的实施步骤：

第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；第二步，再选择调节器参数，以满足动态性能指标的要求。

3直流双环系统的动态设计与校验

双环系统的实际动态结构图如图3-1所示。

它与图1-3的不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和给定滤波环节。

设置滤波环节的必要性是由于反馈检测信号中常含谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动对系统的影响，需加低通滤波，滤波环节可用一阶惯性环节描述，另外滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，相应的给定信号通道也应增加相同的滤波环节。

在设计时按照“先内环后外环”的原则来设计系统。

图3-1双环系统的实际动态结构图

3.1直流双环系统电流环设计

3.1.1电流环调节器结构选择

在设计电流调节器时，首先应该考虑把电流环校正成哪一类系统，从稳态要求上看希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用一型系统就可以了，从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大超调，以保证在动态过程中不超过允许值，以跟随性能为主，所以选一型系统，因此调节器应选PI调节器。

PI调节器的传递函数为：

其中为电流调节器的比例系数，为电流调节器的超前时间常数，均为待定参数。

3.1.2电流环调节器参数计算

（1）确定时间常数：

1）功率变换装置时间常数（即功率变换装置的失控时间）：

对于三相桥式全控整流电路可取。

2）电流滤波时间常数：

对于三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头应有，因此取。

3）电流环小惯性群合并后时间常数：

。

4）电枢回路的电磁时间常数：

已由题目给出。

（2）电流反馈系数：

。

（3）计算电流调节器参数：

由于要将电流环校正为典I系统，因此电流调节器的传递函数应将电流环的大惯性环节消掉，由于，因此电流调节器的传递函数应把大惯性环节中的消掉，因此。

由于题目要求电流环的超调量，根据“典I系统动态跟随性能指标和频域指标与参数选择表”，应取，。

因此。

3.1.3电流环设计校验近似条件

电流环截止频率：

。

（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

满足近似条件

（2）校验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

（3）校验电流环小惯性群合并近似处理条件：

满足近似条件

3.1.4计算电流调节器电阻和电容

电流调节器原理图如图3-2所示。

图3-2含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

题目要求所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下：

取

取

取

按上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为

满足设计要求

电流调节器ACR的传递函数为

3.2直流双环系统转速环设计

3.2.1转速环调节器结构选择

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动