电流转速双闭环直流调速系统matlab仿真实验

1、仿真设计报告内容学院专业班级学号学生姓名指导教师完成日期年 月日转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计一、系统设计目的直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电 气传动中获得了广泛应用。根据直流电动机的工作原理建立了双闭环直流调速系统的数 学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink对系统进行了各种参数给定下的 仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环

2、 调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用 SIMULINK进行动态数字仿真，同时查看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。二、系统理论分析2.1双闭环直流调速系统工作原理电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端偏差信号， 经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压 作为电流给定值送入电流调节器，此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号 直流电压迅速上升，电流也随即增大直到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。 电

3、动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零 ，速度调节器和电流调节器退出饱和状 态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端偏差信号将随时通 过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压 ，使整流桥输出的直流电压相应变化 校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数，还能对因电网波动引起 的电枢电流的变化进行快速调节，可在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢复到原来值,从而使速度稳定于某一转速。2.2双闭环直流调速系统组成为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

4、，分别调节转速和电流。两者实行嵌套连接，如图1所示。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。这就形成转速、电流双闭环调速系统图1转速、电流双闭环直流调速系统其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力 电子变换器Un -转速给定电压Un-转速反馈电压 Ui -电流给定电压 Ui -电流反馈电 压2.3双闭环直流调速系统分析一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达

5、到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。这种理想的起动过程如图2所示。3图2理想启动过程Un*1ke(t)Kn(TnS+ 1)1T«rtS+1TnSToS+1VASRKKTiS*】TiSSCRTciS+lCt；ACRRJ/RTkjiS+1图3双闭环直流调速系统动态结构图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图3所示。2.4双闭环直流调速系统参数描述参数：CeUn -gRa _ 220-136920 132VnN1460Ti15 10”0.503Tmgd2r22.5 0.5375CeCm375 0.13

6、2 30一 0.132二 0.18Cm=30 Ce =1.26三、系统模型设计4在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的 顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。工程设计的步骤如下：1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。2根据具体情况选定预期特性，即典型I系统或典型U系统，并按照零极点相消的原 则，确定串联调节器的类型。3根据要求的性能指标，确定调节器的有关 P、I、D参数。4校正。3.1电流环的设计1、电流环的简化：图

7、4简化后电流环按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。tTi，Ki= (KKs B)的)2、确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间Tso.oes；(2) 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 1 2 Toi =3.33ms， 因此取 Toi =2ms = °.°02s ；(3) 电流环小时间常数乃。按小时间常数近似处理，取 乃=Ts To 0.0037s。3、确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求"乞5%，而且五 0038.11 ： 10 ,因此，电流环可按典型I型T 亘

8、 0.0037系统设计。4、电流调节器的结构选择电流调节器选用PI型，其传递函数为：j,h S + 1Wacr sTis5、选择电流调节器参数ACR超前时间常数：.i =丁 = 0.03s ;故应取KT1 =0.5，因此电流环开环增益：因为要求G空5% ,-05135.1s0.0037于是，ACR的比例系数为Kii=135.1 0.03 0.5 =1.013。Ks0.05 407#6、计算电流调节器的电路参数RiCiUi -Ro/2Ro/2D>CoiR0/2Ro/2Uct#CoiRbal图5电流调节器原理图电流调节器原理如图5所示，按所用运算放大器，取R0 =40K，各电阻和电容值 计算

9、如下：R =KjR0 =1.01340 =40.52K0，取40K0 ;Ci- =0J003 103 =0.75lF，取 0.75呻;Ri40Coi =4 且=4 0.002 103 =0.2呻，取 0.2牛。R。403.2转速环的设计1、转速环的简化：U*n(S)IdL(S)ASR0(/0Id(s)丿TnS+ 1*+ 1 *CeT ms图6简化后的转速环2、确定时间常数：2T<-0.0074s ;根据所用测速发电机纹波情况，取 Ton = 0.01s ；按小时间常数近似处理，取 Tn =2Tq - Ton = 0.0174s。（1 ）电流环等效时间常数为（2 ）转速滤波时间常数Ton（

10、3）转速环小时间常数Tn3、转速环设计系统：由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求, 应按典型U型系统设计转速环。4、转速调节器的结构选择转速调节器选用PI型，其传递函数为：Wasr.朋。5、选择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超前时间常数:转速开环增益：K N二-hTn -5 0.0174 7.087s;注2® 2 25 0.01742 =396.4 ；于是ASR的比例系数为：Knh 1 CeTm6 0.05 0.132 0.182h：RT吊2 5 0.07 0.5 0.0174 一11.7。6、计算转速调节器的电路参

11、数转速调节器原理图如图7所示，按所用运算放大器，取 R。=40K，各 电阻和电容值计算如下：Rn = KnRo =11.7 40 = 468K"，取 470K"；0 087L 二087 103 =0.185呻，取0.2牛;Rn470Con =4“ =4 001 103 =VlF，取 1JF。R°409RoCnUnRo/2Ro/2C on-Ro/2Ro/2O1lII1二二 ConUianRbal10图7转速调节器原理图四、系统仿真运行4.1双闭环直流调速系统定量仿真模型4.2双闭环直流调速系统定量仿真结果4.2.1转速环空载高速启动#422转速环满载高速启动423转速环的抗扰分析：可以使电流快速达到，并保持略低于的值，实现快速启动，最终达到恒速。且具有抗扰作用，使转速维持在给定值。空载能比满载更快速启动。12五、仿真设计总结本文通过建立直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型设计，根据具体指标参 数，应用工程方法设计了电流调节器和转速调节器，设计中选择合适的调节器类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和性能分析。利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink，对所设计的电流环和转速环的阶跃信号进行了仿真计算，很容易绘制出各单 位扰动曲线，并计算出阶跃扰动响应性能指标，从阶跃扰动响应曲