直流双环系统的设计及仿真分析设计报告.docx

目录摘要11. 直流双环系统设计21.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成21.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构31.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构32转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计42.1 转速和电流两个调节器的作用42.2 电流调节器的设计42.3 转速调节器的设计53 参数计算83.1 和的计算83.2电流环参数的设计83.2转速环参数的设计94 matlab仿真结果与分析114.1 系统原理图114.2仿真结果115心得体会136参考文献14摘要许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、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领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道采用转速负反馈和pi调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或者电磁转矩）的动态过程。不能满足经常正、反转运行的调速系统的调速要求。所以，为了改善系统动态过程，可以再增加一个电流截止至负反馈环节来专门控制电流。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形，不能实现准时间控制。因而我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的最大允许电流，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在这种情况下，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。按照这思路 ，对直流双闭环调速系统的设计进行了理论分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些简要说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了根据题目设计要求按照工程设计方法的设计步骤以及一些调节器参数的计算。并利用matlab simulink工具箱，分别对直流调速系统的电流反馈环和转速反馈环进行系统仿真，检验理论计算参数是否符合实际设计要求。并仿真过程中，根据系统响应波形和参数来调节调节器参数。关键词：直流双环 调节器的设计方法 matlab仿真1. 直流双环系统设计1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 采用转速负反馈和pi调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。 图1.1转速、电流双闭环直流调速系统结构 图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器upe。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用pi调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图。1.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示pi 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 pi 调节器的稳态特征。 图1.2双闭环直流调速系统的稳态结构图1.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。图1.3双闭环直流调速系统的动态结构图2转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计2.1 转速和电流两个调节器的作用1. 转速调节器的作用（1） 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果采用pi调节器，则可实现无静差。（2） 对负载变化起抗扰作用。（3） 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用(1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。(4)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。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.2 电流调节器的设计转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为。电流环应以跟随性能为主，应选用典型i型系统，应采用pi型的电流调节器，其传递函数可以写成，电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，其中。希望电流超调量，可选=0.707，即。含给定滤波和反馈滤波的模拟式pi型电流调节器原理图示于图2-3。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。可以导出、图2-3 含给定滤波和反馈滤波的pi型电流调节器2.3 转速调节器的设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，它的闭环传递函数忽略高次项，可降阶近似为,近似条件。电流环在转速环中应等效为。原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器asr中，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统。asr也应该采用pi调节器，转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。调速系统的开环传递函数为开环增益，。按照典型型系统参数关系，、，因此，一般以选择。转速调节器参数与电阻、电容值的关系为、。3 参数计算3.1 和的计算由可知：，由可知：3.2电流环参数的设计1）确定时间常数:因为，所以取： 电流滤波时间常数：电流环小时间常数：2）选择电流调节器结构:根据设计要求：电流超调量，且电流环设计为典i系统，选择pi调节器，其传递函数为3）选择电流调节器参数:acr超前时间常数： ，电流开环增益：要求电流超调量，所以应取，所以 acr的比例系数为：4）校验近似条件:电流环截止频率:晶闸管装置传递函数近似条件：，满足近似条件。忽略反电动势对电流环影响的条件：，满足近似条件。小时间常数近似处理条件：。满足近似条件。调节器的电阻电容：因为，则， 近似取 ，取。取3.2转速环参数的设计1）确定时间常数:电流环等效时间常数转速滤波时间常数转速环小时间常数2）选择转速调节器结构:由于设计要求无静差，且要求设计为典ii系统，转速调节必须含有积分环节;故asr选择pi调节器，传递函数为 3) 选择转速调节其参数:按跟随和抗扰性能都较好的原则， 取h=5，则asr的超前时间常数为: 转速环开环增益:所以，asr的比例系数为:4) 校验近似条件：转速环截止频率：电流环传递函数简化条件： ，满足简化条件。小时间常数近似处理条件： ，满足条件。5) 计算调节器的电阻和电容： ，可近似取 ，取 ，取6) 校验转速超调量： 当h=5时，而所以，满足要求。4 matlab仿真结果与分析4.1 系统原理图风机泵类负载的转矩与转速的平方成正比，即若用负载比例系数为k，则。则系统原理图如下图4.1带风机泵类负载仿真电路图4.2仿真结果图4.2负载电流波形图图4.3转速波形图图4.4转速和电流波形图5心得体会通过本设计，我对运动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对运动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照运动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的工艺，进行对象的分析，设计总体方案，确定方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。在设计完成后进行仿真，我利用matlab仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件参数不相匹配的地方，反复修改，直到符合设计要求。回想做课设的这些天，我感觉重要的是过程而不是结果，也许我的设计有很多缺陷或者错误，但是在做的过程中我学到了很多平时的学习中无法学到的知识和思考方法。这才是课设的价值所在。老师常说考试不是目的只是手段，我觉得做完课设也不是目的只是手段。它给我们提供了一个自己学习独立思考的机会，这是其他课堂或考试都做不到的。其实我们目前的知识还是十分有限的，有很多东西或许我们现在根本就理解不了的。可这并没有关系，关键是我们认真的去思考了，并且我们在这思考过程中得到了锻炼与提高。另外，这次课设让我认识到了运动控制的复杂性以及在工业应用中的重要性。我感到仅仅是课本上的那点知识是很有限的，我只是刚刚入门，还有很多东西要去学。6参考文献1 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统（第4版）.机械工业出版社,20092 李发海，王岩. 电机与拖动基础. 清华大学出版社（第3版）,20053 王兆安，黄俊. 电力电子技术（第4版）.机械工业大学出版社,20004 周渊深. 交直流调速系统与matlab仿真. 中国电力出版社,