1、 運動控制系統課程設計 題目:轉速電流雙閉環直流調速系統仿真與設計 1 / 16 轉速電流雙閉環直流調速系統仿真與設計1. 設計題目轉速電流雙閉環直流調速系統仿真與設計2. 設計任務已知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：1） 直流電動機：160V、120A、1000r/min、Ce=0.136Vmin/r，允許過載倍數=1.42） 晶閘管裝置放大系數：Ks=303） 電樞回路總電阻：R=0.44） 時間常數：Tl=0.023s，Tm=0.2s，轉速濾波環節時間常數Ton取0.01s5） 電壓調節器和電流調節器的給定電壓均為10V試按工程設計方法設計雙閉環

2、系統的電流調節器和轉速調節器，并用Simulink建立系統模型，給出仿真結果。系統要求：1） 穩態指標：無靜差2） 動態指標：電流超調量i 5%；空載起動到額定轉速時超調量n 10%3. 設計要求根據電力拖動自動控制理論，按工程設計方法設計雙閉環調速系統的步驟如下：1） 設計電流調節器的結構和參數，將電流環校正成典型I型系統；2） 在簡化電流環的條件下，設計速度調節器的結構和參數，將速度環校正成典型II型系統；3） 進行Simulink仿真，驗證設計的有效性。4.設計內容1） 設計思路：帶轉速負反饋的單閉環系統，由于它能夠隨著負載的變化而相應的改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化，所以相

3、對開環系統它能夠有效的減少穩態速降。當反饋控制閉環調速系統使用帶比例放大器時，它依靠被調量的偏差進行控制的，因此是有靜差率的調速系統，而比例積分控制器可使系統在無靜差的情況下保持恒速，實現無靜差調速。對電機啟動的沖擊電流以及電機堵轉時的堵轉電流，可以用附帶電流截止負反饋作限流保護，但這并不能控制電流的動態波形。按反饋的控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該基本量基本不變，采用電流負反饋就應該能夠得到近似的恒流過程。另外，在單閉環調速系統中，用一個調節器綜合多種信號，各參數間相互影響，難于進行調節器的參數調速。例如，在帶電流截止負反饋的轉速負反饋的單閉環系統中，同一調節器擔負著正常負載時的

4、速度調節和過載時的電流調節，調節器的動態參數無法保證兩種調節過程均具有良好的動態品質。按照電機理想運行特性，應該在啟動過程中只有電流負反饋，達到穩態轉速后，又希望只有轉速反饋，雙閉環調速系統的靜特性就在于當負載電流小于最大電流時，轉速負反饋起主要作用，當電流達到最大值時，電流負反饋起主要作用，得到電流的自動保護。2)雙閉環調速系統的組成：a. 系統電路原理圖圖2-1為轉速、電流雙閉環調速系統的原理圖。圖中兩個調節器ASR和ACR分別為轉速調節器和電流調節器，二者串級連接，即把轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置。電流環在內，稱之為內環；轉速環在

5、外，稱之為外環。兩個調節器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調節器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機的最大電流；電流調節器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發角。b. 系統動態結構圖圖2-2為雙閉環調速系統的動態結構框圖，由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數Toi按需要選定。濾波環節可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節。其作用是：讓給定信號和反饋信號經過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便

6、。由測速發電機得到的轉速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數用Ton表示。根據和電流環一樣的道理，在轉速給定通道中也配上時間常數為Ton的給定濾波環節。3） 按工程設計方法設計雙閉環系統的ACR：設計多環控制系統的一般原則是：從內環開始，一環一環地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環入手，首先設計好電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。a.確定時間常數整流濾波時間常數Ts，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s；電流濾波時間常數Toi，三相橋式電路每個波頭的時間是0.0033s，為了基本慮平波頭，應有（12）Toi=0.0033

7、s，因此取Toi=2ms=0.002s；電流環小時間常數Ti，按小時間常數近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。b.選擇電流調節器結構由設計要求：i%5%，并保證系統穩態電流無誤差，因此可按典型I型系統設計，電流調節器選用PI型，其傳遞函數為: WACR(s) =c.校驗近似條件電流環截止頻率；晶閘管裝置傳遞函數近似條件為： =196.1，滿足近似條件；忽略反電動勢對電流環影響的條件為： =44.2，滿足近似條件；小時間常數近似條件處理條件為： =180.8， 滿足近似條件。d.計算調節器電阻和電容電流調節器原理如圖31所示，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計算如下：

8、，取30k。 ，取0.75。按照上述參數，電流環可以達到的動態指標為：i%=4.5%<5%，滿足設計4）按工程設計方法設計雙閉環系統的ASR：a.確定時間常數電流環等效時間常數為；轉速濾波時間常數Ton ，根據所用測速發電機波紋情況，取Ton=0.01s；轉速環小時間常數 按小時間常數近似處理，取=。b選擇轉速調節器結構由于設計要求無靜差，轉速調節器必須含有積分環節；又根據動態要求，應按典型型系統設計速度環，故ASR選用PI調節器，其傳遞函數為：c.計算速度調節器參數按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為：，轉速環開環增益： 于是，ASR的比例系數: =12.9

9、d.校驗近似條件由轉速截止頻率：;電流環傳遞函數簡化條件： ,滿足簡化條件;轉速環小時間常數近似條件為： ,滿足近似條件。e.計算調節器電阻和電容轉速調節原理圖如圖32所示，取，則，取550k。，取0.150。按照上述參數，電流環可以達到的動態指標為：當h=5時，查表得%，雖然不滿足設計要求，而實際上，突加階躍給定時，ASR飽和，應按退飽和的情況重新計算超調量，實際%,滿足設計要求。5）內、外開環對數幅頻特性的比較圖41把電流環和轉速環的開環對數幅頻特性畫在一張圖上，其中各轉折頻率和截止頻率依次為： ， ， ， 。以上頻率一個比一個小，從計算過程可以看出，這是必然的規律。因此，這樣設計的雙閉環

10、系統，外環一定比內環慢。一般來說，。從外環的響應速度受到限制，這是按上述方法設計多環控制系統時的缺點。然而，這樣一來，每個環本身都是穩定的，對系統的組成和調試工作非常有利。總之，多環系統的設計思想是：以穩為主，穩中求快。6） 晶閘管的電壓、電流定額計算a.晶閘管額定電壓UN 晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um，考慮到電網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數，即按下式選取UN（23）Um，式中系數23的取值應視運行條件，元件質量和對可靠性的要求程度而定。b.晶閘管額定電流IN 為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定值。即必須使元件

11、的額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。可按下式計算：IN=(1.52)KfbIMAX。式中計算系數Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數。當=0時，三相全控橋電路Kfb=0.368,故計算的晶閘管額定電流為IN=(1.52)KfbIMAX =(1.52) ×0.368×(220×1.5)=182.16242.88A，取200A。7)平波電抗器計算由于電動機電樞和變壓器存在漏感，因而計算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。a.電樞電感量LM按下

12、式計算P電動機磁極對數，KD計算系數，對一般無補償電機：KD=812。b.整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計算U2變壓器次級相電壓有效值，Id晶閘管裝置直流側的額定負載電流，KB與整流主電路形式有關的系數。c.變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續時電抗器電感量L按下式計算，K是與整流主電路形式有關的系數，三相全控橋K取0.693則L17.01(mH).6） 進行Simulink仿真，驗證設計的有效性a. 電流閉環的仿真如下圖：為了研究系統的參數對動態性能的影響，分別取KI TSi =0.39、0.50、0.69、1.00，此時KI的值也會隨之變化，運行仿真，即可

13、得不同KI值的階躍響應曲線： 圖6-1 KT=0.39的階躍響應曲線圖6-2KT=0.50的階躍響應曲線圖6-3 KT=0.69的階躍響應曲線圖6-4 KT=1.00的階躍響應曲線由曲線可以看出如果要求動態響應快，可取KT=0.69-1.0；如果要求系統超調小，則應把KT的值取小些，可取KT<0.39;無特殊要求，取折中值KT=0.5，稱為最佳二階系統。圖6-1圖6-4反映了PI調節器的參數對系統品質的影響趨勢，在工程設計中，可以根據工藝的要求，直接修改PI調節器的參數，找到一個在超調量和動態響應快慢上都較滿意的電流環調節器。b. 轉速環的仿真設計在增加轉速環調節后，轉速環開環傳遞函數如

14、下：校正后的調速系統動態結構框圖如下所示：其中。在matlab中搭建好系統的模型，如下圖： 轉速環的仿真設計為滿足系統在不同需求下的跟隨性與抗擾行能要求，取h的之分別為：3、5、7、9.用matlab仿真結果如下：圖7-1h=3時的階躍響應曲線圖7-2h=5時的階躍響應曲線圖7-3h=7時的階躍響應曲線圖7-4h=9時的階躍響應曲線由圖可以看出：h值越小，動態降落也越小，恢復時間、調節時間也短，抗擾性能也越好，但是，從h<5以后，由于震蕩劇烈h越小，恢復時間反而延長，綜合起來看，h=5是最佳選擇，也即最佳三階系統。 對電流環與轉速環都是根據實際需要調節參數的，對比型、型系統可以發現：型系

15、統可以在跟隨性上做到超調小，但抗擾性能差；而型系統超調卻相對較大，抗擾性能較好。5.設計心得a.通過該次設計，更加熟悉掌握了電流轉速雙閉環直流調速系統的結構組成以及它的工作原理，加深了對開環、閉環有靜差、無靜差調速的理解-閉環結構保證系統的穩定性與抗干擾能力；無靜差調速則保證系統有較低的穩態誤差。b.由此也初步掌握雙閉環調節器的整個設計過程，其基本思想是先內環再外環。在結構框圖的處理過程中有多處近似處理，簡化了傳遞函數，從而使問題得到簡化，因此稱為被稱為“工程設計方法”，這意味著在實際的應用中，在可以大大簡化分析過程卻很小影響分析結果的方法是很有價值的。從開環到閉環、從閉環無靜差到有靜差、從單環到雙環著一些列的變化顯示人們人知的漸進性。c.matlab仿真是自己臨時撿起matlab課本重