1、運動控制系統課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 轉速、電流反饋控制直流調速系統仿真 初始條件：某晶閘管供電的雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據如下：直流電機參數為：額定電壓,額定電流；額定轉速,，允許過載倍數；晶閘管裝置放大系數；電樞回路總電阻；時間常數；電流反饋系數;轉速反饋系數要求完成的主要任務: （1）用MATLAB建立電流環仿真模型；（2）分析電流環無超調、臨界超調、超調較大仿真曲線；（3）用MATLAB建立轉速環仿真模型；（4）分析轉速環空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線；（5）電流超調量，轉速超調量。轉速、電

2、流反饋控制的直流調速系統是靜、動態性能優良、應用最廣泛的直流調速系統，對于需要快速正、反轉運行的調速系統，縮短起動、制動過程的時間成為提高生產效率的關鍵。為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統里設置兩個調節器，組成串級控制。本文介紹了雙閉環調速系統的基本原理，而且用Simulink對系統進行仿真。031040806 焦榮濤轉速、電流反饋控制直流調速系統仿真1 設計的初始條件及任務1.1概述本次仿真設計需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的

3、鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。1.2初始條件某晶閘管供電的雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據如下：直流電機參數為：額定電壓,額定電流；額定轉速,，允許過載倍數；晶閘管裝置放大系數；電樞回路總電阻；時間常數；電流反饋系數；轉速反饋系數。1.3要完成的任務1）用MATLAB建立電流環仿真模型；2）分析電流環無超調、臨界超調、超調較大仿真曲線；3）用MATLAB建立轉速環仿真模型；4）分析轉速環空載起動、滿載起

4、動、抗擾波形圖仿真曲線；5）電流超調量，轉速超調量。2雙閉環直流調速系統的工作原理2.1雙閉環直流調速系統的介紹雙閉環（轉速環、電流環）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強的優點。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環調速系統可以在保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。在單閉環系統

5、中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖2-1a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成

6、方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 (b)理想快速起動過程圖2-1 調速系統起動過程的電流和轉速波形 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變1，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節器的輸入端，到達穩

7、態轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發揮主作用，因此我們采用雙閉環調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.2雙閉環直流調速系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即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晶閘管整流器的觸發裝置。從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫做內環；轉速環在外面，叫做外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。該雙閉環調速系統的兩個調節器ASR和ACR一般都采用PI1調節器。因為PI調節器作為校正裝

8、置既可以保證系統的穩態精度1，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩定性1；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。MTGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-TG 環ni外環內環圖2-2 轉速、電流雙閉環直流調速系統2.3雙閉環直流調速系統兩個調節器的作用1)轉速調節器的作用（1）使轉速n跟隨給定電壓變化，當偏差電壓為零時，實現穩態無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2)電流調節器的作用（1）在轉速調節過程中，使電

9、流跟隨其給定電壓變化。（2）對電網電壓波動起及時抗擾作用。（3）起動時保證獲得允許的最大電流，使系統獲得最大加速度起動。（4）當電機過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統能夠自動恢復正常。3電流環的MATLAB計算、建立及仿真3.1電流調節器的設計確定時間常數，電流環小時間常數之和。按小時間近似處理 根據設計要求，并保證穩態電流無差，可將電流環校成典型系統，典型系統的跟隨性較好，超調量較小。設傳遞函數的形式為：計算電流調節器的參數電流調節器的超前時間參數：電流開環增益 ：要求時，應該取,因此： 根據上述的設計參數，電流環可達到的動態跟隨性能指標為

10、，符合設計要求。3.2電流環仿真模型設計圖3-1 電流環仿真模型3.3電流環調節器分析 圖3-2 電流環臨界超調輸出波形2）KT=0.25時，按典型系統的設計方法得到的PI調節器的傳遞函數為，可以得到電流環階躍響應的仿真輸出的波形：圖3-3 電流環無超調輸出波形3）KT=1.0時，按典型系統的設計方法得到的PI調節器的傳遞函數為，可以得到電流環階躍響應的仿真輸出的波形：圖3-4 電流環超調較大輸出波形總結：從以上各電流環的圖形得出KT越大時上升時間越快，但同時超調量也比較大，當KT=0.5時，各項動態參數較合理。4轉速環的MATLAB計算、建立及仿真4.1轉速調節器的設計確定時間常數電流環等效

11、時間常數。取，則： 設計PI調節器，起傳遞函數為：計算轉速調節器參數按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數為：進而可求得，轉速環開環增益：可求得ASR的比例系數為：4.2轉速環仿真模型設計圖4-1 轉速環仿真模型4.3轉速環的系統仿真1）PI調節器按照計算出來的結果：?？蛰d起動時波形為：圖4-2 轉速環空載起動輸出波形2）滿載運行時起動的波形：圖4-3 轉速環滿載高速起動輸出波形3）抗干擾性的測試：圖4-4 轉速環的抗干擾輸出波形105小結與體會這次課程設計中，我們學到了許多課堂上學不到的東西，尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多時間和精力。本次課程設計讓我對電力拖動自動控制系統-運動控制系統的核心內容-轉速、電流反饋控制直流調速系統有了更深的理解，對典型I系統設計加深了認識。通過matlab的仿真，使我對雙閉