双闭环调速系统设计及变负载扰动转速环突然断线matlab仿真

1、武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书学 号： 课 程 设 计题 目双闭环调速系统设计及变负载扰动转速环突然断线matlab仿真学 院专 业班 级姓 名指导教师2016年12月日摘要电流转速双闭环调速系统是静动态性能优良的直流调速系统，对于调速系统而言，被控制的对象是转速。它的跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述，设计时一般遵循时间最优的理想过渡过程设计。电流转速双闭环调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交直流电力拖动自动控制系统的重要基础。掌握双闭环调速系统对于运动控制系统的学习起重要的作用。从闭环结构上看，电流环在里面，时间参数小，可以快速的跟踪给定电流，被称作电流内环；转速环在

2、外面，时间参数大，但是能够跟踪给定电压，从而调整转速，被称作转速外环；这样构成了电流转速反馈控制直流调速系统。选择合理的电流调节器和转速调节器的结构和参数能使系统更好地达到生产工艺所要求的性能指标。本次课程设计的目的就是利用MATLAB进行双闭环调速系统的设计、仿真和计算分析。通过变负载扰动，和转速环断线的仿真来检验系统的动态性能和可能出现的情况，从理论和仿真进一步了解双闭环系统。关键词：双闭环调速，变负载扰动，转速环突然断线，MATLAB仿真目录1.设计任务分析11.1初始条件11.2主要任务12.双闭环调速系统的结构图23.电流调节器的设计33.1确定时间常数33.2选择电流调节器结构33

3、.3计算电流调节器参数33.4校验近似条件44.转速调节器的设计54.1确定时间常数54.2选择转速调节器结构54.3计算转速调节器参数54.4校验近似条件64.5校核转速超调量65.双闭环调速系统的仿真76.仿真结果及分析9收获体会11参考文献12本科生课程设计成绩评定表13双闭环调速系统设计及变负载扰动转速环突然断线matlab仿真1.设计任务分析1.1初始条件不可逆的生产设备，采用双闭环直流调速系统，其整流装置采用三相半波整流电路，系统的基本数据如下：直流电机：Unom=220V，Inom=305A，nnom=1000r/m，Ce=0.196Vmin/r，允许过载倍数=1.5；时间常数：

4、TL=0.012S ，Tm=0.12；晶闸管装置放大倍数：Ks=35 主电路总电阻：R=0.18；额定转速时的给定电压Un*=10V，调节器ASR饱和输出电压8V。设计要求如下：稳态指标：稳态无静差，D=10。动态指标：电流超调量i5%，空载启动到额定转速时的转速超调量n15%。1.2主要任务调速系统设计的任务是合理的选择调节器的结构和参数，使系统的性能指标满足生产工艺的要求，稳态参数的计算是调速系统设计的第一步，他决定了控制系统的基本组成，然后在通过动态设计使系统性能满足要求。经过分析可以将本次设计分解为以下几个部分，参数的选取和计算，电流调节器的设计，转速调节器的设计、MATLAB仿真并进

5、行结果分析。2.双闭环调速系统的结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图如图2-1所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器突出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。图2-1双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统

6、的动态结构图如图2-2所示，图中ASR和ACR分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。调节器后面的低通滤波环节可以抑制各种扰动量对系统的影响。这样的滤波环节传递函数可用一节惯性环节来表示。图2-2双闭环直流调速系统的动态结构图3.电流调节器的设计电流环的动态结构图如图3-1所示。图3-1电流环的动态结构图3.1确定时间常数整流装置采用三相半波整流电路，其平均失控时间Ts=0.0033s；三相半波电路每个波头的时间是6.67ms，为了基本滤平波头，应有Toi=2.5ms，电流环小时间常数之和。3.2选择电流调节器结构根据设计要求

7、i5%，并保证电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为3.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流反馈系数：电流开环增益：要求时，查表得，应取，因此于是，ACR的比例系数：3.4校验近似条件电流环截止频率：1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。3)校验电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。4.转速调节器的设计转速环的动态结构图如图4-1所示。图4-1转速环的动态结构图4.1确定时间常数电流环等效时间常数1/KI。已取，则根据测速发电机的

8、波纹情况，取转速滤波时间常数。转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取4.2选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为4.3计算转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为转速开环增益为于是，可求得ASR的比例系数为4.4校验近似条件转速环截止频率为1)电流环传递函数简化条件满足简化条件。2) 转速环小时间常数近似处理条件满足近似条件。4.5校核转速超调量当h=5时，查表得，不能满足设计要求。实际上，由于表是按线性系统分析的，突然加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时z=0,

9、根据已知数据和求的的数据有：，。当h=5时，查表可得，且有能满足设计要求。5.双闭环调速系统的仿真双闭环调速系统的仿真模型如图5-1所示。图5-1双闭环调速系统的仿真模型双闭环调速系统的仿真模型对应的代码如下：a=0.01b=0.0175Ton=0.01Ki=0.304Ti=0.012Toi=0.0025Kn=6.35Tn=0.108Ks=35Ts=0.00333R=0.18Tl=0.012Tm=0.12Ce=0.196inom=305nnom=1000sim('double_closed_loops_speed_regulation_system.mdl',6)figure(

10、'Name','起动转速与起动电流的波形')plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values,'LineWidth',4)figure('Name','ASR输出电压的波形')plot(ScopeData1.time,ScopeData1.signals.values,'LineWidth',4)figure('Name','ACR输出电压的波形')plot(ScopeData2.time,ScopeData2.signals.

11、values,'LineWidth',4)figure('Name','直流电压Ud的波形')plot(ScopeData3.time,ScopeData3.signals.values,'LineWidth',4)仿真开始后，3s时转速环断线。仿真截止时间是6s。6.仿真结果及分析起动转速与起动电流波形如图6-1所示，直流电压Ud波形图如图6-2所示，ASR输出电压波形如图6-3所示，ACR输出电压波形如图6-4所示。图6-1起动转速与起动电流波形图图6-2直流电压Ud波形图图6-3ASR输出电压波形图图6-3ACR输出电压波形

12、图起动阶段分为电流上升阶段，恒流升速阶段，转速调节阶段（其中包括转速超调），转速超调量符合设计要求，由于采用的PI调节器，故转速调节范围D符合条件。中间一段转速保持相对不变时，达到了系统的动态稳定n=1000r/min，此时，ACR的输出为7.5V。在3s时，使转速环突然断线，则此时的ASR马上就会饱和，则电流环的给定电压就会达到最大，电流环调节很快，出现了一个很小的峰值，随后减小至375A左右，小于允许最大值478A。ACR的输出会达到另一个新的稳态值10.7V左右，比之前稳态的值要相对大一些。转速达到一个新的稳态值n=1500r/min。15收获体会本次运动控制系统课程设计过程中，进一步培

13、养了独立查阅资料、完成一个基本系统结构的设计与仿真的能力，也进一步地熟悉了双闭环调速系统的原理以及simulink的仿真设计过程。通过本次课程设计，我明白了理论与实际相结合的重要性。空有理论知识不足以解决实际问题，只有把所学的理论知识与实践相结合，才能真正提高学生的实际操作，发现问题与独立思考的能力。上课学习到的东西，如果不经实践检验，会难以发现容易出错的地方，最后只会一知半解。在本次课程设计过程中，通过计算，仿真等一系列步骤，我对双闭环调速系统的原理有了一定程度的理解，也发现了一些新的需要解决的问题。在本次课程设计的过程中，我遇到的问题，如下：在进行simulink仿真时，对matlab本身

14、，simulink内的元器件及它们的使用方法不甚了解。通过翻阅专业资料，上网查找相关文献的方式，我熟悉了如何使用这些工具。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处在于对以前所学过的知识理解得不够深刻，或者掌握得不够牢固，故在做课设的过程之中需要一直对照教材，因此强化了对课本的理解。课程设计训练的是学生的逻辑分析能力，让学生思考如何使方案趋于规范严密。我从中认识到，只有注意到每一个细节，要达到的目标才能完美实现，因此对未来学习工作有指导意义。参考文献1阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2009.8：9-89.2王再英，刘淮霞.过程控制系统与仪表M.北京：机械工业出版社，2006.1：208-216.3李发海，王岩.电机与拖动基础M.北京：清华大学出版社，2005.8：26-90.4王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社