双闭环直流调速系统仿真设计.docx
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双闭环直流调速系统仿真设计
胡弟兴寧
本科毕业设计说明书
题
目:
双闭环直流调速系统仿真
学生
姓名:
冷雪剑
学
院:
信息工
程学院
系
别:
自动化
系
专
业:
自动化
班
级:
自动化
03-2
指导
教师:
王志禾口
教授
二◦◦七年六月
摘要
直流电动机具有良好的起制动性能,易于在广泛范围内平滑调速,在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
本文介绍了双闭环直流调速系统的原理,并通过试验的方法获得双闭环直流调速系统的各项参数,采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环,即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节,再对速度环进行设计。
采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行辅助设计,选择调节器结构,进行参数计算和近似校验。
在MATLAB^建立仿真模型,最后采用MATLAB^的PowerSystem工具箱对所设计的系统进行仿真,得到了比较理想的运行曲线。
分析转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。
关键词:
调节器;双闭环直流调速系统;Matlab仿真
Abstract
Thedirectcurrentelectricmotorhasthegoodbrakingquality,easyinwidespreadscopesmoothvelocitymodulation,inneededinthedomainwhichthehighperformancecontrollableelectricpowerdrovetoobtainthewidespreadapplication.
ThispaperintroducestheDoubleClosed-loopDCSRSystem'sPrinciple.AndpassingthetestmethodAccesstheDoubleClosed-loopDCSRSystemParameters.DesignfromtheinnertoouterloopFirstdesignoftheCentralCurrentloopwillbeequivalenttothespeedloopofaringlink,designCentraltofurtherspeedloop.engineeringdesignmethodfordualclosedloopspeedcontrolsystemforDC-aideddesign,choiceofdevicestructure,parametercalibrationandapproximatecalculation.itusesthePowerSystemtoolboxintheMATLABtothesystemwhichdesignstocarryonthesimulat,ioanndobtainthesatisfactoryoperationcurve.Analysisofthespeedandcurrentwaveformsimulation,anddebugging,sothattheDoubleClosed-loopDCSRSystemperfect,reasonable.
Keywords:
Regulator;DoubleClosed-loopDCSRSystem;Matlabsimulation
引言-1-
第一章调速系统与MATLA概述-2-
1.1运动控制系统概述-2-
1.2直流调速控制技术发展概况-2-
1.3控制系统的计算机仿真-3-
1.4MATLA简介-3-
1.4.1MATLAB勺优势与特点-3-
142MATLAB勺Simulink简介-4-
1.5本设计主要内容-4-
第二章双闭环直流调速系统原理及参数勺测定-6-
2.1双闭环直流调速系统勺组成和工作原理-6-
2.1.1双闭环直流调速系统工作原理及原理图-6-
2.1.2双闭环直流调速系统动态结构图-7-
2.2双闭环直流调速系统参数勺测定-7-
2.2.1参数测定试验勺系统组成和工作原理-7-
第三章电流环与转速环勺设计-15-
3.1电流环勺设计-15-
3.1.1电流环勺动态结构图-15-
3.2转速调节器勺设计-17-
第四章双闭环直流调速系统MATLA仿真-21-
4.1双闭环直流调速系统勺建模-21-
4.1.1双闭环直流调速系统勺仿真模型-21-
4.1.2双闭环直流调速系统仿真模型中勺参数设置-21-
4.2系统勺仿真、仿真结果勺输出-25-
4.3仿真结果分析-26-
结论-27-
参考文献-28-
谢辞-29-
引言
本文采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环,即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节,再对速度环进行设计。
目前广泛应用的直流调速设计方法是基于某些标准形式进行的,其优点是简单方便,但设计的系统性能指标是相同的,实际系统所要求的指标往往是不同的,所以采用双闭环调速系统的设计方法不一定都能得到满意的结果。
如果我们在按上述设计法确定调节器形式的基础上,再找出调节器参数改变时对应系统性能指标的变化趋势,那么在实际系统的设计和调试时就可以根据得到的变换趋势,按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数,从而获得实际系统要求的动态响应。
在设计中,基于理论设计的基础上根据实际的系统情况作参数的调整是非常重要的,也是必不可少的。
这是因为实际系统的参数,往往与计算值或铭牌数据有一定的差别,系统某些环节的非线性影响等因素存在,使系统在配置设计参数后并不能马上获得预期的性能指标。
因此本文采用计算机仿真技术。
应用Matlab软件建立数字仿真模型,观测转速和电流的仿真波形,并进行调试。
模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。
通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计,得到被仿真系统。
第一章调速系统与MATLAB概述
1.1运动控制系统概述
运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为被控对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。
这类系统控制电动机的转矩、转速和转角,将电能转换成机械能,实现运动机械的运动要求。
运动控制系统的种类繁多,用途各异。
1.按被控物理量分。
以转速为被控量的系统叫调速系统;以角位移或直线位移为被控量的系统叫位置随动系统,有时也叫伺服系统。
2.按驱动电动机的类型分。
用直流电动机带动生产机械的为直流传动系统;用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统。
3.按控制器的类型分。
以模拟电路构成控制器的系统成为模拟控制系统;一数字电路构成控制器的系统成为数字控制系统。
另外,按照控制系统中闭环的多少,也可分为单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统;按控制原理的不同也可分很多种。
对于一种具体的运动控制系统可能使这些分类的交集,如用8051单片及实现的双环数字直流调速系统。
1.2直流调速控制技术发展概况
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。
随着生产技术的发展,对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态相应等方面提出了更高要求,这就要求大量使用调速系统。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好,从20世纪30年代起,就开始使用直流调速系统。
它的发展过程是这样的:
由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制;再进一步,用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速;再后来,用可控整流和大功率晶体管组成的PW控制电路实现数字化的直流调速,使系统快速性、可靠性、经济性不断提高。
调速性能的不断提高,使直流调速系统的应用非常广泛。
直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在广泛范围内平滑调速,在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来,交流调速系统发展很快,然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟,并且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础,所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。
在高性能的拖动技术中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
目前,我国直流调速控制的发展趋势主要有以下几个方面:
1.提高调速系统的单机容量。
2.提高电力电子器件的生产水平,使变流器结构变得简单、紧凑。
3.提高控制单元水平,使其具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。
1.3控制系统的计算机仿真
控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性新型学科。
它是以控制系统的数学模型为基础,以计算机为工具,对系统进行实验研究的一种方法。
系统仿真就是用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行试验和研究,而计算机仿真能够为各种试验提供方便、廉价、灵活可*的数学模型。
因此,凡是要用模型进行试验的,几乎都可以用计算机仿真来研究被仿真系统的工作特点、选择最佳参数和设计最合理的系统方案。
随着计算机技术的发展,计算机仿真越来越多的取代纯物理仿真,他为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。
目前,比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB使用MATLA对控制系统进行计算机仿真的主要方法是:
以控制系统的传递函数为基础,使用MATLAB的Simulink
工具箱对其进行计算机仿真研究。
1.4MATLAB简介
1.4.1MATLAB勺优势与特点
MATLA具有如下的优势与特点:
1.友好的工作平台和编程环境
2.简单易用的程序语言
3.强大的科学计算机数据处理能力
4.出色的图形处理功能
5.应用广泛的模块集合工具箱
6.实用的程序接口和发布平台
7.模块化的设计和系统级的仿真
由于MATLA具有以上其他计算语言无法比拟的优势,目前它已作为工程和科学教育界的一种行业标准。
随着他日益风靡全球,我国也掀起了学习MATLA的热潮。
142MATLAB勺Simulink简介
Simulink是一种用来实现计算机仿真的软件工具。
它是MATLA的一个附加组件,用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。
它一般可以附在NMATLA上同时安装,也有独立安装版。
Simulink使用模块组合的方法来实用户能够快速、准权的创建动态系统的计算机模型的,特别对于复杂的非线性系统,它的效果更为明显。
Simulink模型可以用来模拟线性或者非线性、连续或离散或者两者的混合系统,也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。
另外,Simulink还提供一套图形动画的处理方法,使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。
Simulink没有单独的语言,但他提供了S函数规则。
所谓的S函数可以是一个M文件、FORTRA程序、C或C+h语言程序等,通过特殊的语法规则使之能够被Simulink模型或模块调用。
S函数使Simulink更加充实、完备,具有更强的处理能力。
同MATLA一样,Simulink也不是封闭的,它允许用户可以很方便的定制自己的模块和模块库。
同时Simulink也同样有比较完整的帮助系统,使用户可以随时找到对应模块的说明,便于应用。
综上所述,Simulink就是一种开放性的,用来模拟线性或非线性的一级连续或离散的或者两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具。
目前,随着软件的不断升级换代,Simulink在软硬件的接口方面有了长足的进步,使用Simulink已经可以很方便的进行实时的信号控制和处理、信息通信以及DSP处理。
世界上须都大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开发的强有力工具。
1.5本设计主要内容
本设计的主要目的是更好的学习掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本原理,了解直流调速系统应用状况,并对Matlab软件有进一步的认知。
本设计根据实验室现有设备的情况,利用实验手段测定和计算出实验室电动机的各项参数与系统参数,设计仿真方案,最后采用MATLAB中的PowerSystem工具箱对所设计的系统进行仿真,得到了比较理想的运行曲线。
分析转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理、完善。
第二章双闭环直流调速系统原理及参数的测定
2.1双闭环直流调速系统的组成和工作原理
2.1.1双闭环直流调速系统工作原理及原理图
在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器,转速调节器的输出当作电流调节器的输入,电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。
电流调节器在里面称作内环,转速调节器在外面称作外环,这样就形成转速、电流双闭环调速系统。
双闭环直流调速系统原理图如下图2-1所示。
为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器都采用PI调节器。
转速调节器是调速系统的主导调节器,它使转速跟随其给定电压变化,稳态时实现转速无静差,对负载变化起抗扰作用,其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压变化,对电网电
压的波动起及时抗扰作用,在转速动态过程中能够获得电动机允许的最大电流,从而加快动态过程,当电机过载甚至堵转时,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。
图2—1双闭环直流调速系统原理图
ASR-转速调节器ACR-电流调节器GT-触发装置
M-直流电动机TG-测速发电机TA-电流互感器
整流装置原理图如图2—2所示
VTiVT3VTS
图2—2整流装置原理图
2.1.2双闭环直流调速系统动态结构图
双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2-3所示
图2—3双闭环直流调速系统的动态结构框图
2.2双闭环直流调速系统参数的测定
已知的数据和调速要求:
直流电动机M03:
额定功率Fe=185W,额定电压Ue=220V,额定电流Ie=1.1A,
额定转速ne=1600r/min
调速指标:
调速范围D=10;静差率SW5%
2.2.1参数测定试验的系统组成和工作原理
主要通过晶闸管直流调速系统来测定双闭环直流调速系统中所需的各项参数,
晶闸管直流调速系统的主电路由整流变压器、晶闸管整流装置、平波电抗器、电动机
测功机组等组成。
整流装置的主电路为三相桥式电路,控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器
的移相控制电压
以满足实验要求
Uct,改变Ug的大小即可改变控制角:
•,从而获得可调的直流电压,实验系统的组成原理图如图2-4所示。
实验系统原理图
为研究晶闸管一电动机系统,须首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L以及系统的电磁时间常数Td与机电时间常数这些参数均需通过实验手段来测定,具体
方法如下:
1.电枢回路总电阻R的测定
电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻R及整流装置的内阻Rn,即
R=Ra+R+Rn(2-1)
由于阻值较小,不宜用欧姆表或电桥测量,因是小电流检测,接触电阻影响很大,故常用直流伏安法。
为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Ud0,而晶闸管整流电源是无法测量的,为此应用伏安比较法,实验线路如图2
—5所示。
图2—5伏安比较法实验线路图
将变阻器R、R2接入被测系统的主电路,测试时电动机不加励磁,并使电机堵
转。
合上s、§,调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued〜70%Ued范围内,然后调整
R2使电枢电流在80%ed〜90%ed范围内,读取电流表A和电压表V的数值为Il、U1,则此时整流装置的理想空载电压为
(2-2)
Ud。
JR6
调节R使之与R,的电阻值相近,拉开开关S,在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值12、U2,则
(2-3)
求解(2-2)、(2-3)两式,可得电枢回路总电阻:
如把电机电枢两端短接,重复上述实验,可得
(2-5)
则电机的电枢电阻为
各数据的测量与计算数据见表2-1。
表2-1测定电枢回路总电阻R
次序
Id(A)
Ul(V)
电枢短接
电抗器短接
Rg)
RaS)
RS)
RnS)
U2(V)
U3(V)
80%Id
0.96
90
101
90
/
—
...-
60%Id
0.72
97
106
97
37.5
25
8.33
4.17
30%Id
0.36
110
110
104
27.78
16.67
5.56
5.55
平均值
32.64
20.83
6.94
4.86
2.电枢回路电感L的测定
电枢回路总电感包括电机的电枢电感La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感Lb,由于Lb数值很小,可以忽略,故电枢回路的等效总电感为
LaLd(2-7)
电感的数值可用交流伏安法测定。
实验时应给电动机加额定励磁,并使电机堵转,实验线路如图2-6所示。
图2-6测量电枢回路电感的实验线路图
实验时交流电压由DJK01电源输出,接DJK1啲高压端,从低压端输出接电机的电枢,用交流电压表和电流表分别测出电枢两端和电抗器上的电压值Ua和UL及电流I,从而可得到交流阻抗乙和ZL,计算出电感值La和L,,计算公式如下:
Z/a
a
I
(2-8)
Z-UL
(2-9)
.Z^-R^
「2二f
(2-10)
.zf-Ri
(2-11)
Ld2二f
取三次计算的平均值,为实验系统各部分的电感值
表2-2测量回路电感L
次序
Id(A)
Ua(V)
U1(V)
La(mH)
Ld(mH)
1
0.5
26.5
65.8
144
402
2
0.4
20.0
50.4
157
419
3
0.3
18.4
46.9
184
499
平均值
——
162
440
3.直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定
电力拖动系统的运动方程式为
M-Ml=(GD2/375)dn/dt(2-12)
式中,M为电动机的电磁转矩,单位为Nm;Ml为负载转矩,空载时即为空载转矩
Mo,单位为Nm,n为电机转速,单位为r/min,GD2为飞轮惯量,单位为Nm2。
电机空载自由停车时,M=0,Ml=M0,则运动方程式为:
2
M0=-(GD/375)dn/dt(2-13)
从而有
2
GD=375M°/dn/dt(2-14)
式中GD2的单位为Nm2;
M。
可由空载功率P0(单位为W)求出:
P°Mia。
-1叙(2-15)
皿0=9.55&(2-16)
n
dn/dt可以从自由停车时所得的曲线n二f(t)求得,其实验线路如图2-7
电动机加额定励磁,将电机空载启动至稳定转速后,测量电枢电压Ua和电流10,
然后断开给定,使电机自由停车,将示波器达到慢扫描挡,根据示波器的时标,计算出电机由稳定转速下降到零时间,将所得数据记录于表2-3中。
由于空载转矩不是常数,可以以转速n为基准选择若干个点,测出相应的M0和dn/dt,以求得GD2的平均
值。
由于本实验装置的电机容量比较小,应用此法测GD2时会有一定的误差表2—3直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定
n
ne
0.8re
0.6ne
0.5e
0.4ne
测量值
Ua(V)
225
186
142
115
90
I°(A)
0.075
0.074
0.074
0.074
0.073
t(S)
3.7
3.2
2.7
2.4
2.1
计算值
F0(W)
16.75
13.65
10.394
8.396
6.459
M0(Nm)
0.1
0.102
0.103
0.1
0.096
GD2(Nm2)
3.51
3.58
4.34
4.12
3.6
GD:
(Nm2)
3.85
4.电枢回路电磁时间常数Tl的测定
采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Tl,电枢回路突加给定电压时,电流
id按指数规律上升
其电流变化曲线如图2-8所示。
当t=TL时,有
idTd(1-/)=0.632ld(2-18)
图2-8电流上升曲线
实验线路如图2-9所示。
电机不加励磁,调节给定使电机电枢电流在50%Ied〜
90%Ud范围内。
然后保持Ug不变,将给定的S2拨到接地位置,然后拨动给定5从接地到正电压跃阶信号,用数字存储示波器记录id二f(t)的波形,在波形图上测量出当
电流上升至稳定值的63.2%时的时间,即为电枢回路的电磁时间常数Td
图2-9测定Td的实验线路图
5.电动机电势常数Ce和转矩常数Cm的测定
将电动机加额定励磁,使其空载运行,通过RP改变Uct改变电枢电压Ua,测得
相应的转速n电枢电流|d,记录于表2-3中。
可由下式算出Ce:
Ce二Ke:
—(Ua2—Uai)/(n2-nJ(2-19)
式中,Ce的单位为V(rm)。
转矩常数(额定磁通)Cm的单位为Nm'A。
Cm可由Ce求出:
Cm=9.55Ce(2-20)
表2—4电动机电势常数Ce和转矩常数Cm的测定
次序
N(r/min)
Ua(V)
Id(A)
Ce
Cm
1
300
43
0.06
0.14
1.337
2
800
113
0.07
0.138
1.318
3
1500
210
0.08
0.139
1.327
平均值
0.139
1.327
最后的结果取三次平均值。
6.系统机电时间常数Tm的测定
系统的机电时间常数可由下式计算
(2-21)
(2-22)
Tm=(GD2R)..(375CeCm「2)
由于TmLTd,也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节,即
n二KUd'(1TmS)
当电枢突加给定电压时,转速n将按指数规律上升,当n到达稳
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