双闭环调速系统设计及其恒负载扰动转速环突然断线matlab仿真.docx

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双闭环调速系统设计及其恒负载扰动转速环突然断线matlab仿真

双闭环调速系统设计及恒负载扰动转速环

突然断线matlab仿真

1设计任务与分析

要求：

不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相半波整流电路，基本数据：

nom

直流电动机：

Unom=220V，Inom=308A，flnom=1000"丽n，C

=0.196V・min/r;允许过载倍数=1.5,;时间常数：

Tl=0.012sTm=0.12s；晶

闸管放大倍数：

ks=35，主回路总电阻：

R=0.18;额定转速时的给定电压

Un=10V，调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim=8V,Ucm=6.5V

设计要求

i5%，空载启动到额定转速时的转速超调量

稳态指标：

稳态无静差，D=10

动态指标：

电流超调量

n15%。

转速、电流双闭环调速系统是性能很好，应用最广的调速系统，采用转速、电流双闭环调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

转速、电流双闭环调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、电力拖动自动控制系统的重要基

础，所以掌握双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用⑵

本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计,其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。

要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工

作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计[4]

2双闭环调速系统的设计

2.1双闭环调速系统总体设计

为了同时改善系统的稳态与动态性能，提出了转速调节器ASR与电流调节器

ACF串级联接的双闭环调速系统，分别调节转速和电流。

两者之间实行嵌套连接,

且都带有输出限幅电路⑶。

转速调节器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最

大输出电压Udm。

其原理图如图1-1所示:

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相半波整流、电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响[1]

如图1-2所示，为双闭环调速系统的动态结构框图，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入再用电流调节器的输出去控制其他的。

图1-2双闭环调速系统动态结构图框图

由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。

这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准⑸。

然而，在抑制交流分量的同时，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，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

由测速发电机得到的转速反馈

电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示，根据和电流环

一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton的给定滤波环节。

系统设计的一般原则是：

先内环后外环。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

2.2电流环的设计

含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-4所示[1]:

t>

鱼

r±3

鱼I鱼

■

0,11

O

-4/d

图1-3含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

其中U*为电流给定电压，Id为电流负反馈电压，Uc为电力电子变换器的

控制电压。

根据运算放大器的电路原理，可以容易得出

Ri

Ro

（2-1）

RiCi

（2-2）

1

4RoCoi

（2-3）

i

Toi

Ki

2.2.1电流调节器参数选择

1）确定时将常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts:

三相半波整流电路的平均失控时间

Ts=0.0033s。

（2）

电流滤波时间常数Toi:

三相半波电路每个波头的时间是6.67ms,为了基

本滤平波头，应有（1-2）Toi=6.67ms,因此取Toi=2.5ms=0.0025s。

电流环小时间常数之和Ti:

按小时间常数近似处理，取

Ti=TS+Toi=0.0058s

2）选择电流调节器结构

根据设计要求i5%并保证电流无静差，可按典型1型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为

3）

计算电流调节器参数

于是，ACM比例系数为

电流调节器的限幅值为:

2.2.2校验近似条件

电流环截止频率:

ci=Ki=86.2s1

（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件

3「3*0.0033

=100s1>

ci

（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3｛仁T,=3计012*0.012=79.05s

TmTl

ci

满足近似条件

（3）电流环小时间常数近似处理条件

——1——=1*J-1二=116.05s

3VT.T"3V0.0033*0.0025s

TsToi

1

>

ci

满足近似条件

223计算电流调节器电阻和电容

取Ro=40k，各电阻和电容值为

R=KiRo=0.313*40k=12.52k，取12k

Ci=^=O0O0=1F，取1F

Ci=4T^^=4*0.0025=0.25F,取0.25F

匕oiR040000

要求

2.3速度环的设计

+

-y-

on

-an

图1-4含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

其中u；为转速给定电压，n为转速负反馈电压，Ui*:

调节器的输出是电

流调节器的给定电压。

2.3.1转速调节器参数选择

1）确定时间常数

（1）电流环等效时间常数1/ki:

1/KI=2T1=2*0.0058=0.0116$

转速环小时间常数之和Tn:

按小时间常数近似处理，取

Tn=1/Kl+Ton=0.0216S

按照设计要求，算用PI调节器，其传递函数为

3）计算转速调节器参数

按跟随和抗干扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR勺超前时间常数为

n=hTn=5*0.0216=0.108S

出=0.01V•min/r

nnom

转速开环增益

Kn

h21=6=257.2S2

2hT；2*25*0.0216*0.0216

于是，可求得asr的比例系数为

更=旦017空空=6.17

2*5*0.01*0.18*0.0216

/（hQCeT

Kn2hRTn

232检验近似条件

满足近似条件

233计算转速调节器电阻和电容

取Ro=40k，各电阻和电容值为

2.3.4超调量相关计算

1）校核转速超调量

线性系统分析的，突然加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提,

应该按ASF退饱和的情况重新计算超调量。

2）退饱和超调量的计算

当h=5时，由表查得-Cmax=81.2%,仆二"1^

CbnCe

=2（CmaxnCb

z）亠口nTm

308*0.18

=2*81.2%*1.5^^^0.021610000.12

=12.41<15%

满足设计要求

3系统仿真

3.1无ACF限幅值时的恒负载扰动转速环突然断线仿真

根据所求参数，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图3-1为无ACR

图3-1直流双闭环调速系统恒负载扰动转速环突然断线MATLAB仿真框图（无ACR限幅值）

口阳

限幅值时的直流调速系统（Id=const）稳定运行时转速环突然断线的仿真框图。

通过仿真可知道，起动转速，起动电流，直流电压Ud，asr,acr输出电压

波形，如图3-2,3-3为仿真波形图。

图3-2起动电流，起动转速波形图（无ACR限幅值）

3-3ASR,ACR输出电压，直流电压Ud波形图（无ACR限幅值）

□

3

£

3.2有ACR限幅值时的恒负载扰动转速环突然断线仿真

调速系统的仿真框图如图3-4为有ACF限幅值时的恒负载扰动转速环突然断线的双闭环调速系统的仿真框图

图3-4直流双闭环调速系统恒负载扰动转速环突然

断线MATLAB仿真框图（有ACR限幅值）

它的起动电流，起动转速和直流电压Ud,ASR,ACR输出电压的波形图，如图3-5

和3-6所示

图3-5起动电流，起动转速波形图（有ACR限幅值）

3.3仿真结果分析

仿真原理图中，开关作用是用来模拟突然转速环断线的，它作用的开始时间为5秒，即系统运行5秒时脉冲电源会给开关一个信号，从而开关开始动作，使开关断开。

由于该系统是恒负载扰动，所以我们给了一个恒信号充当恒负载扰动,所给的是l=308A。

通过无ACR限幅值时双闭环调速系统恒负载扰动转速环突然断线仿真的波

形图可知，当5秒时，转速环突然断线时，ASR,AC®直流电压Ud将不再稳定,

值有变化，但是在经过一段时间的波动后，经过电流环调节，又会趋于平稳，但

幅值比原来的要大一些。

直流电压U由于存在电流环调节，它的幅值经过波动

后也会趋于平稳，电流值比原来大。

起动电流虽然也会变化，但是由于电流调节器仍然在工作，在断线时电流迅速增大，经过电流调节器调节，起动电流又会保持稳定。

起动转速由于转速环断线，它的转速经过波动后又保持了另一个平稳值。

通过无ACR限幅值时和有ACR限幅值两个设计的波形图对比可知，当转速环断线时，有ACR限幅值的系统的转速最终稳定值和电流在断线时的突变增大值比没有

ACR限幅值变化小。

而且，转速环断线后，ACR直流电压Ud,起动电流，起动转

速重新达到一个新的平衡，有ACR限幅值比没有ACR限幅值所用的时间少。

4小结与体会

通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。

学会了转速、电流双闭环直流调速系

统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。

通过这次课程设计，我不仅在只是上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。

我想无论是在学习还是在生活上只有自己用心去学习和参与才可能有收获。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统一一运动控制系统.北京：

机械工业出版社,

2003.7

[2]

李发海，王岩.电机拖动基础.第3版.清华大学出版社，2005.8

[3]

杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：

清华大学出版社，2006

[4]

阮毅..电力拖动自动控制系统.北京：

机械工业出版社，2010

李华德，李擎，白晶.电力拖动自动控制系统.北京：

机械工业出版社，2009