課程設計說明書 NO.15雙閉環直流調速系統的設計及其仿真 班 級：自動化2班 學 號：xxxxxxxx 姓 名：xxxxxx 指導教師：xxxxxx 設計時間：2014年6月23日目 錄一、前言 31.課題研究的意義32.課題研究的背景3二、總體設計方案31. MATLAB 仿真軟件介紹32.設計目標43.系統理論設計 54.仿真實驗 95.仿真波形分析13三、心得體會14四、參考文獻 16一、前言1課題研究的意義從七十年代開始，由于晶閘管直流調速系統的高效、無噪音和快速響應等優點而得到廣泛應用。雙閉環直流調速系統就是一個典型的系統，該系統一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉速電流雙閉環調速控制電路、以及缺相和過流保護電路等。直流調速是現代電力拖動自動控制系統中發展較早的技術。就目前而言，直流調速系統仍然是自動調速系統的主要形式，在許多工業部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調速的場合得到廣泛的應用。且直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。由于直流拖動控制系統在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統的基礎。所以加深直流電機控制原理理解有很重要的意義。2課題研究的背景電力電子技術是電機控制技術發展的最重要的助推器,電力電機技術的迅猛發展,促使了電機控制技術水平有了突破性的提高。從20世紀60年代第一代電力 電子器件-晶閘管(SCR)發明至今,已經歷了第二代有自關斷能力的電力電子器 件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復合場控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬 勃發展的第四代產品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓, 多年來其結構、工藝不斷改進,性能有了飛速提高,在不同應用領域它們在互相 競爭,新的應用不斷出現。同時電機控制技術的發展得力于微電子技術、電力電 子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發展 成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術在近二十多年內發生了天翻地覆的變化。3注意什么問題二、總體設計方案1.MATLAB 仿真軟件介紹本設計所采用的仿真軟件是MATLAB。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB應用非常之廣泛！MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。主要的優勢特點為： 高效的數值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數學運算分析中解脫出來；具有完備的圖形處理功能，實現計算結果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握； 功能豐富的應用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。2.設計目標設計一個雙閉環直流調速系統，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調速范圍D=10，靜差率5%；穩態無靜差，電流超調量5%，電流脈動系數10%；啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量10%。系統具有過流、過壓、過載和缺相保護，觸發脈沖有故障封鎖能力。直流電動機數據：額定功率29.92KW，額定電壓220V，額定電流136A，額定轉速 1460r/m，=0.132Vmin/r， 允許過載倍數=1.5。晶閘管裝置放大系數：=40電樞回路總電阻：R=1時間常數：機電時間常數=0.18s，電磁時間常數=0.03s電流反饋系數：=0.05V/A轉速反饋系數：=0.007v min/r轉速反饋濾波時間常數：=0.005s，=0.005s總飛輪力矩：GD=2.5N.mh=53.系統理論設計：在雙閉環系統中應該首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作轉速調節系統中的一個內環節，再設計轉速調節器。這樣的系統能夠實現良好的靜態和穩態性能，結構簡單，工作可靠，設計和調試方便，達到本課程設計的要求。雙閉環直流調速系統的結構框圖:圖1 雙閉環直流調速系統的動態結構圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.1電流調節器設計整流裝置滯后時間常數：三相電路的平均失控時間=0.0017s （3-1）電流濾波時間常數：=0.005s （3-2）電流環小時間常數之和：按小時間常數近似處理，取為：=+=0.0067s (3-3） 3.2選擇電流調節器結構根據設計要求5%，并保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調節器，它的傳遞函數為： = （3-4）檢查對電源電壓的抗擾性能： （3-5）符合典型I型系統動態抗擾性能，并且各項性能指標都是可以接受的。電流調節器超前時間常數：=0.03s。 （3-6）電流環開環增益：要求5%是按書表2-2，應取=0.5，因此： （3-7）于是，ACR的比例系統為： （3-8）電流環截至頻率： （3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數近似的條件為： （3-10）忽略反電動勢對電流環動態影響的近似條件為： （3-11）電流環小時間常數近似處理條件為： （3-12）按所用的運算放大器取得。各電容和電阻值為：、 （2-13）Ri=40k （2-14）按照上面計算所得的參數，電流環內環可以達到的動態跟隨性能指標為=4.3%5%,滿足課題所給要求。3.3速度調節器設計電流環等效時間常數。取=0.5，則： （3-15）轉速濾波時間常數。根據所用測速發電機波紋情況，取：=0.005s。 （3-16）轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取： （3-17）3.4選擇轉速調節器結構按設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為： （3-18）按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現取h=5，則ASR的超前時間常數為： （3-19）并且求得轉速環開環增益為： （3-20）則可得ASR的比例系數為： （3-21）3.5校驗近似條件轉速截止頻率為： （3-22）電流環傳遞函數簡化條件為： （3-23）轉速環外環的小時間常數近似處理條件為： （3-24）3.6計算調節器電阻和電容按所用的運算放大器取=40。各電容和電阻值為：， （3-25） （3-26）3.7校核轉速超調量當h=5時，由書可以查得：=37.6%，這并不能滿足課題所給要求。實際上，由于表2-6是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR已經飽和，不符合如今系統的前提要求，所以應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。如下： （3-27）滿足課題所給要求。4.仿真實驗：為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，如圖2所示。圖2 轉速、電流雙閉環直流調速系統結構圖2中，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統綜上所述，采用轉速，電流雙閉環直流調速系統能更好的完成本題的設計要求，現采用轉速，電流雙閉環直流調速系統進行設計，如圖3所示： 圖3 雙閉環直流調速系統的動態結構圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環調速系統仿真模型圖如 圖4所示：圖4 雙閉環調速系統仿真模型圖雙閉環系統仿真波形及分析：ASR輸出限幅值 （4-1） ACR輸出限幅值 （4-2）調節限度器1將ASR輸出限幅值的Upper Limit和Lower Limit進行適當的調節。可得到上升時間最大的波形（=7.7s 限幅值=3.8V）和上升時間最小（=0.7s限幅值=14V）的波形。上升時間最大波形如圖5所示：圖5雙閉環調速系統上升時間最大波形圖上升時間最小波形如圖6所示：圖6 雙閉環調速系統上升時間最小波形圖經過雙閉環調速系統上升時間最大波形與雙閉環調速系統上升時間最小波形對比可知：限幅值越大上升時間越小，限幅值越小上升時間越大；同時值越大，超調越小；值越小，超調越大。在符合設計要求的情況下，經過多次的參數調整，得到一組較好的調節參數，如表1和圖7所示：晶閘管放大系數Ks機電時間常數電磁時間常數電流反饋系數轉速反饋系數允許過載倍數300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.6159.845500.220.01s表1雙閉環調速系統調節參數圖7 雙閉環調速系統波形圖由此可得：雙閉環調速系統采用PI調節規律，它不同于P調節器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調節器它的輸出量在動態過程中決定于輸入量的積分，到達穩態時，輸入為零，輸出的穩態值與輸入無關，是由它后面的環節的需要來決定的。5.仿真波形分析從波形中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：第階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調節器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR不飽和,確保電流環的調節作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉速升到給定值n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉速環相當于開環狀態，系統表現為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調節系統，基本上保持恒定。因而拖動系統的加速度恒定，轉速呈線性增長。第階段：轉速調節階段。在這階段開始，轉速已達到給定值，轉速調節器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉速超調后，ASR輸入端出現負的偏差電壓，使他退出飽和狀態，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內，轉速仍繼續上升。達到最大值后，轉速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流Id也出現一段小于Id0的過程，直到穩定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時起調節作用。根據仿真波形，我們可以對轉速調節器和電流調節器在雙閉環直流調速系統中的作用歸納為： 1轉速調節器的作用轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2電流調節器的作用作為內環的調節器，在外環轉速的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環調節器的輸出量）變化。對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。這個作用對系統的可靠運行來說是十分重要的。三、心得體會經過這次課程的設計，使我明白了一門課程設計對學好該門課程的重要性。同時也感覺到自己在實踐動手能力方面的缺陷與不足，因此我將會在以后的學習和工作中不斷來加強這方面的鍛煉。這次課程設計的時間雖說是短暫的，但在這幾天中我學會了不少的東西，首先對直流雙閉環調速系統有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學知識的一次很好的應用。通過這次課程設計，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態上也有不小的進步。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是這次設計給我的一點小小的感悟。以前一直覺得理論知識離我們很遠，經過課程設計，才發現理論知識與生活的聯系。這大大激發了我學習書本知識的興趣。再者我們學習的是工科，不單純只是理論方面的的工作，還應該考慮到實際情況。在本次課程設計中也遇到了不少的工程問題和理論問題，但最后都得到了完滿的解決，在此十分的感謝課程設計指導老師-李俊圣老師的細心指導和幫助。總之，在設計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發現，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。四、參考文獻1 阮毅, 陳伯時. 電力拖動自動控制系統運動控制系統 M. 4版. 北京：機械工業出版社，20