转速、电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究

1、南京工程学院课程设计说明书(论文)转速、电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究课 程 名 称 电机控制技术院（系、部、中心）电力工程学院设 计 地 点 工程实践中心9#229指 导 教 师 李先允南京工程学院课程设计任务书课 程 名 称 电机控制技术 电力工程学院 院（系、部、中心） 年 6 月 28 日 指 导 教 师 李先允 1课程设计应达到的目的 电机控制技术是电气工程及其自动化专业的专业课程，内容包括交、直流调 速和位置控制。本课程要求学生在掌握基本理论的基础上,逐步培养运用理论去分析解决 现场实际问题的能力，而不是机械地仅仅掌握理论而已。本课程设计正是为达到这一目的 而设计的

2、。 通过课程设计，检验学生是否掌握自动控制的基本理论和系统设计方法，训练学生 设计控制系统和使用仿真软件的能力，培养学生分析试验结果的专业素养。 2课程设计题目及要求 课程设计的题目：转速、电流双闭环直流调速系统及其 MATLAB 仿真研究 课程设计的要求： 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统， 整流装置采用三相桥式电路， 参数设置如下： 直流电动机：Pnom=150kW;nnom=1000r/min;Inom=700A;Ra=0.05 主回路：Rd=0.08;Ld=2mH;全控桥式整流 m=6 负载及电动机转动惯量：GD2=125kgm2 要求：稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量 i=5

3、;空载起动到额定转速时的转速超调量 n=5. 3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求 课程设计任务： 1 2 3 4 5 问题的提出。 理论知识的准备过程。 系统相关模型的参数设置以及传递函数的表达式建立。 利用 MATLAB 软件建立转速，电流双闭环调速系统的数学模型。 仿真结果，并对结果进行分析。 课程设计工作量的要求： 1.编制仿真程序：重点在于数学模型的过程建立 2.分析仿真结果：能够根据实验仿真的结果进行分析。 3.编写设计报告： 根据实验的过程以及实验过程中的步骤完成实验报告， 并给出总结。 4主要参考文献 1、陈伯时。电力拖动自动控制系统第 2

4、版。北京： 机械工业出版社，2000 2、王忠礼 段慧达 高玉峰。 MATLAB 应用技术在电气工程与自动化专业中的应用。 北 京：清华大学出版社，2007 3、童福尧。电力拖动自动控制系统习题例题集。北京：机械工业出版社，2008 4、周渊深。交直流调速系统与 MATLAB 仿真。北京：中国电力出版社，2003 5、史国生。交直流调速系统（第二版） 。 北京：化学工业出版社，2003 5课程设计进度安排 起 止 日 期 2009 年 6 月 3 日-2009 年 6 月 21 日 工 作 内 容 (1)审题、选题，布置任务，解释题目，查阅资料。 2009 年 6 月 15-2009 年 6

5、月 24 日 (2)系统原理、结构框图的设计 (3)系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序 (4)MATLAB 仿真结果分析及结论 (5)完整的设计报告 (6)答辩 2009 年 6 月 25 日 6成绩考核办法 根据实验完成的质量以及答辩过程情况考核 教研室审查意见： 教研室主任签字： 年 月 日 院（系、部、中心）意见： 主管领导签字： 年 月 日 转速、电流双闭环直流电机控制系统及 丁立辰 南京工程学院 智能建筑电气 其MATLAB仿真研究Nanjing Institute of TechnologyElectrical and Intelligent Building Constr

6、uction摘要：对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。关键词：直流电机调速系统仿真MatlabAbstract: The paper presents the derive ationof engineering design methods in the speed regulation system of speed and current double closed loop i

7、n details. Then，a demo is designed and simulated by Matlab/Simulink to study the influence resulted from the details of the derivation，which has been ignored in the speed regulation system. The reason of difference between the engineeringdesign and the real conditions is given to help working out th

8、eoptimaldesigninpractice.Keywords: DC motor Speed regulation system Simulation Matlab一.问题的提出采用比例积分的转速负反馈、电流截止负反馈环节的调速系统，在保证系统稳定运行的情况下实现无静差调速，又限制了启动时的最大电流。这对一般要求不太高的调速系统，基本满足了要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加之电动机反电动势随转速的上升而增加，使电流到达最大值又迅速降下来，电磁转矩也随之减小，必然影响启动的快速性,参看文献5。对于实际生产中的一些经常正反转的调速系统，要求尽量缩短起制动过程的时间。因此可以充分利

9、用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使启动电流保持在最大值，以最大启动转矩启动，可以使转速迅速直线上升，减少启动时间，为此，经常采用转速，电流双闭环调速系统，启动时转速外环饱和，让电流负反馈内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，让电动机转速跟随转速给定电压变化，电流内环跟随转速环调节电动机电枢电流平衡负载电流,参看文献1。二.系统参数设置1. 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，参数设置如下：直流电动机：Pnom=150kW;nnom=1000r/min;Inom=700A;Ra=0.05主回路：Rd=0.

10、08;Ld=2mH;全控桥式整流m=6负载及电动机转动惯量：GD2=125kgm22 .设计要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量i=5;空载起动到额定转速时的转速超调量n=5.三.系统数学模型的建立1双闭环系统控制系统2.相关装置的设计（1）直流电机的数学模型dIddt假定主电路电流连续，则动态电压方程为： Udo=RId+L+E.(1)如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为Te-TL=GD2dn375dt. .(2)额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为E=Cen.(3)Te=CmId.(4)Cm=(30/)Ce.(5)式中 TL 包括电机空载转矩在内的负载转矩(Nm)；

11、GD2 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量(Nm2)； Cm 电机额定励磁下的转矩系数(Nm/A)， 定义下列时间常数：Tl 电枢回路电磁时间常数(s)，Tm电力拖动系统机电时间常数(s) ， 。在零初始条件下，对（1）式，（2）式进行拉氏变换，得1电压与电流间的传递函数Id(s)Ud0(s)-E(s)=(6)Tls+1电流与电动势间的传递函数则结构框图为：E(s)Id(s)-IdL(s)=RTms.(7)由此得到直流电机的传递函数为：W(s)=1/CeTmTls+Tms+12.(8)（2）晶闸管的传递函数在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控

12、时间引起的。用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为Ud0=KsUc1(t-Ts)按拉氏变换的位移定理，按泰勒公式展开，近似处理得一阶惯性环节Ws(s)（3）电流环的设计 I：确定相关参数Ks1+Tss.(9)整流装置滞后的时间常数：Ts=1/2mf=1/(2*6*50)=0.0017s电流滤波时间常数Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s电流环小时间常数TSi：按小时间常数近似处理Ti=Ts+Toi=0.0017=0.002=0.0037 电势常数：Ce=(Unom-In

13、om*Ra)/nnom=(220-700*0.05)/1000=0.185V/(rmim)转矩常数：CM=Ce/1.03=0.185/1.03=0.18kgmA电磁时间常数：Tl=Ld/Rd=2*10-3/0.08=0.025s2机电时间常数：Tm=GDRd/(375CMCe)=125*0.08/(375*0.18*0.182)=0.8s -1选取电流输出限幅值：Ukm=10V，通过计算的晶闸管装置放大系数 ：Ks=Udo/Ukm=1.05*Unom/Ukm=1.05*220/10=23启动电流：Idm=1.5Inom=1.5*700=1050A选取转速调节器输出限幅值：Uim=10V，可以得

14、到电流反馈系数：=Uim/Idm=10/1050=0.0095V/A选取最大给定值：Unm*=10V,可以得到转速反馈系数：= Unm*/ nnom=10/1000=0.01/(rmin-1)II：选择电流调节器结构根据设计要求：i=5,而且Tl/TSi=0.025/0.0037=6.7610因此可按典型I型系统设计。电流调节选用PI型，其传递函数为WACR(s)=Kitis+1tisIII：选择电流调节器参数ACR超前时间常数：ti= Tl=0.025s电流环开环增益：要求i=5时，应取KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.11/s 于是，ACR的比例系数为Ki=KI*（ti*R

15、）/（*Ks）=135.1*0.025*0.08/(0.0095*23)=1.24（4）转速环的设计I：确定时间常数电流环等效时间常数为2 Ti：2 Ti =0.0074s转速滤波时间常数Ton:根据所用测速发电机纹波情况，取Ton =0.01s转速环小时间常数Tn：按小时间常数近似处理，取Tn=2Ti+TonTn=2Ti+Ton=0.0074+0.01=0.0174 sII：选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型II型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为WASR(s)=Kntns+1tnsIII：选择转速调节器参数按跟随和抗

16、扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为n=hTn=5*0.0174s=0.087s转速环开环增益Kn=（h+1）/(2h Tn)=6/(50*0.0174)=396.4s于是，ASR的比例系数Kn=(h+1)CeTm/(2hRTn)=(6*0.0095*0.185*0.8)/(10*0.01*0.08*0.0174)=60.6 222-2四.双闭环直流调速系统的仿真模型1. 根据所给的要求能够得到此双闭环调速系统的动态结构图如下。图a 转速、电流直流调速系统动态模型 2. 电流环的仿真模型由于电磁时间常数Tl一般都远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快

17、得多，即比反电动势的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个缓慢变化的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变，及可以暂不考虑反电动势的变化。由此得到其结构模型为图b,图b 电流单环控制模型 图c转速单环控制模型 3. 转速环的仿真模型不考虑负载扰动，即Idl=0A,得结构模型为图c4. 基于数学模型的双闭环直流调速系统仿真图d 转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型5.通过工程设计的方法建立的转速电流双闭环控制系统并确定了控制器的结构及其参数，也就是说得到了双闭环的数学模型，因此可以实现基于数学模型的双闭环直流调速控制系统仿真。参照开环系统数学模型的仿真方法很容易建立双闭环系

18、统的Simulink的实现，系统模型如上所示。仿真参数选择，ode23；开始时间Start time设为0，停止时间Stop time设为10s.参考文献2五.仿真结果1.根据转速调节器控制模型和电流调节器控制模型，建立传递函数，并进行仿真得到结果如下：图e 图f由图e可知电流调节器调节时间为t=0.1783s,且能达到稳定值，由此可以说明电流调节器仿真结果正确。由图f可知转速调节器调节时间为t=3.593s,且能够达到稳定，由此可以说明转速调节器仿真结果正确。2.根据设计要求，按照工程设计方法设计的转速，电流双闭环直流调速系统仿真结果如图所示：（1）：额定负载情况下，系统的仿真结果；图g（2

19、）：空载情况下，在负载扰动和电流扰动分别作用下该系统的仿真结果（电流扰动为瞬间扰动，电网扰动为阶跃扰动）；图h（3）：在多种情况下，系统仿真结果 ；图i图g 图h图i六.双闭环调速系统的仿真分析:1. 由图形g显示结果可知i=(1670-1600)/1600=4.45n=(1032-1000)/1000=3.25符合设计要求，因此，此次课程设计结果正确。2. 利用转速调节器的饱和特性，使系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。3.由于构成了无静差系统，在负载变化和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。4.转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化和电网电压波动等扰动影响，特别是电网电压扰动点在电流环内，多数情况可以在电流环内就克服，而不会造成电机转速的波动。5.图形g为转速、电流双闭环直流调速系统满载时的仿真结果，由图可以看出，调节时间为3.4s,转速超调量为3.2，电流超调量为4.4。图形h为转速、电流双闭环直流调速系统空载时的仿真结果，有图可以看出，调节时间为2.7s，在3.5s时通过增加电流扰动，可以看出系统通过转速环的自动调节从而使转速回到额定转速，在4s时通过增加电网电压扰动，可以看出系统通过电流环的自动调节作用从而使得转速没有发生变化。图形i的两张图形都是系统在受到不同干扰信号以及给定信号条