转速电流反馈控制直流调速系统的仿真终极版.docx
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转速电流反馈控制直流调速系统的仿真终极版
本科课程设计
题目:
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
姓名王金良
学院
专业电气工程及其自动化
年级
学号
指导教师
2013年1月11日
转速、电流反馈控制直流调速系统仿真
摘要
转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统,对于需要快速正、反转运行的调速系统,缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。
为了使转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统里设置两个调节器,组成串级控制。
本文介绍了双闭环调速系统的基本原理,而且用Simulink对系统进行仿真。
关键词:
双闭环调速、转速、电流、Simulink
一、设计的题目及任务
(一)概述
本次仿真设计需要用到的是Simulink仿真方法,Simulink是Matlab最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
(二)仿真题目
某晶闸管供电的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:
直流电机参数为:
额定电压
额定电流
;
额定转速
,
允许过载倍数
;
晶闸管装置放大系数
;
电枢回路总电阻
;
时间常数
;
电流反馈系数
;
转速反馈系数α=0.00666Vmin/r。
(三)要完成的任务
1)用MATLAB建立电流环仿真模型;
2)分析电流环不同参数下的仿真曲线;
3)用MATLAB建立转速环仿真模型;
4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线。
二、双闭环直流调速系统的组成
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1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。
双闭环调速系统的结构图如:
图1转速、电流双闭环直流调速系统结构图
三、MATLAB计算、建立及仿真
一)、设计思路
设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。
1、从电流环(内环)开始,对其进行必要的变换和近似处理,然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统。
2、再按照控制对象确定电流调节器的类型,按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。
3、电流环设计完成后,把电流环等效成转速环(外环)中的一个环节,再用同样的方法设计转速环。
二)、电流调节器(内环)的设计
matlab的电流环的整体仿真模型如图所示:
(1)电流环各个模块的参数设置
已知题目:
双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路的参数如下:
直流电动机:
220V,136A,1460r/min,Ce=0.132Vmin/r,允许过载倍数λ=1.5;
晶闸管装置放大系数:
Ks=40;
电枢回路总电阻:
R=0.5Ω;
时间常数:
Ti=0.03s,Tm=0.18s;
电流反馈系数:
β=0.05V/A;
转速反馈系数:
α=0.07V·min/r。
1、确定时间常数
1)整流装置滞后的时间Ts。
按表1晶闸管整流器的失控时间(f=50Hz)来设置,表1如下所示:
表1
由表可知三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.00167s。
2)电流滤波时间常数Toi。
由上表知道Tsmax=3.33,为了基本滤平波头,应有(1~2)Toi=3.33ms,因此我们取Toi=2ms=0.002s.
3)电流环小时间常数之和TΣi。
按小时间常数近似处理,取
TΣi=Ts+Toi=0.00367s。
2、各模块的设置(除ACR模块)
将各模块的参数输入图1的电流环各模块中即可得到图2所示的仿真模型;
3、ACR参数设置
ACR的传递函数式为:
即:
=Ki+Kp/s
1)电流调节器超前时间常数为:
τi=Tl=0.03s。
2)电流环开环增益Ki:
Ki=KT/TΣi
=KT/0.00367
其中参数关系KT按表2如下所示:
表2
3)KT=0.5时PI传函W=Ki+Kp/s=0.5/0.00367+(0.5/0.00367)/0.03s
=1.0134+33.78/s
同理:
KT=0.25时PI传函W=Ki+Kp/s=0.5067+16.89/s
KT=1时PI传函W=Ki+Kp/s=2.027+67.567/s
4、在Simulink模型窗口工具栏里的Simulation——>ConfigurationParameters菜单项可以更改Starttime和Stoptime的值按需要分别设为0.0s和0.05s或0.1s。
(2)电流环的仿真图形
KT=0.5时,ACR中的PI调节器的传递函数为
=1.0134+33.78/s,
按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图6所示:
其超调量满足σ≦4.3%。
三)、转速调节器(外环)的设计
matlab的转速环的整体仿真模型如图所示:
(1)转速环各个模块的参数设置
由电流环的仿真知电流环的参数取KT=0.5时超调量满足综合条件,电流环模块的值保持不变。
1、确定时间常数
1)电流环的等效时间常数1/Ki。
由上面可知取KiTΣi=0.5,则
1/Ki=2TΣi=0.0074s
2)转速滤波时间常数Ton=0.01s;
3)转速环小时间常数TΣn=1/Ki+Ton=0.0174s;
2、除去电流环各模块按图10所示编号设置如下:
(1)将①框的阶跃输入将Steptime设为0,
Initialvalue设为0,
Finalvalue设为10;
(2)②框对应结构图中的ASR模块,由例题3-2得到的结果,其传递函数设置为
即Gain3设置为11.7,Gain4设置为134.48;
(3)③框的Saturation将其上界(upper)和下界(lower)分别设置为10和-10;
(4)④框的函数式为
α/(Tons+1)=0.00666/(0.01s+1);
(5)⑥框的函数式1/Ce=1/0.132=7.576;
(6)⑤框的阶跃信号按要求输入:
将Steptime设为0,Initialvalue设为0;
空载(负载电流为0)时,阶跃信号Step1的Finalvalue设为0;
满载(负载电流为136)时,阶跃信号Step1的Finalvalue设为136
(电动机的额定电流为136A);
做干扰测试时,将Steptime设为1,Initialvalue设为0,Finalvalue设为100。
(二)转速环的系统仿真
1、空载起动时,阶跃信号Step1的Finalvalue输入设为0,仿真波形如图所示:
2、满载起动时,阶跃信号Step1的Finalvalue设为136,仿真波形如图所示:
3、抗干扰性的测试,将阶跃信号Step1的Steptime设置为1,将Initialvalue设置为0,将Finalvalue设置为100(或其他1到136均可做干扰),其他设置不变,仿真如图所示:
四、小结与体会
这次课程设计中,在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方,尤其是simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。
本次课程设计让我们对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解,对此设计加深了认识。
通过matlab的仿真,使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。
通过对系统的设计,让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。
同时也可以通过课程设计,了解理论知识哪些方面比较薄弱,及时查漏补缺。
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
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- 关 键 词:
- 转速 电流 反馈 控制 直流 调速 系统 仿真 终极