利用Matlab仿真平台设计双闭环直流调速系统

1、1设计任务及要求1、条件：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,根本数据如下：直流电动机：220V、136A、1460r/min,Ce=0.132min/r,允许过载倍数1.5.闸管放大系数：Ks=40.电枢回路电阻：R0.5°时间常数：T1=0.03s,Tm=0.18s.电流反应系数：0.05V/A(10VM.51nom)转速反应系数：0.007Vmin/r(10V/nnom)2、技术要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量n%10%.3、设计要求：简述单闭环直流调速系统的根本构成和工作原理.分析所设计系统的静态性能

2、指标和动态性能指标.根据动态性能指标设计校正装置.设计出系统的Simulink仿真模型,验证所设计系统的性能.给出所设计系统的性能指标：上升时间tr、超调量p%、调节时p间ts、最大启动电流Idmax、稳态误差ess.2系统的根本结构和工作原理许多生产机械,由于加工和运行的要求,使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中,因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率.为缩短这一局部时间,仅采用pi调节器的转速负反馈单闭环调速系统,其性能还不很令人满意.双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节,可获得良好的静、动态性能两个调节器均采用pi调节器,由于调整系统的主要

3、参量为转速,故将转速环作为主环放在外面,电流环作为副环放在里面,这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响.双闭环直流调速系统较单闭环相比具有动态响应快、抗干扰水平强等优点,具有良好的抗扰性能,它对于被反应环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制.具有单闭环不能比较的优势.双闭环调速系统的结本示意图如下列图1：图1双闭环调速系统结构示意图双闭环调速系统结卞初京理图如下列图2:图2双闭环调速系统结构原理图3系统的静态性能和动态性能指标3.1系统的静态性能指标为了分析双闭环调速系统,必须先绘出它的稳态结构框图.如下列图3:图3双闭环直流调速系统稳态结构图注意：在转速调节器饱和时,相当于开环状态,在

4、线性段不饱和时,才起到稳态调节作用实际上,在正常运行时,电流调节器是不会到达饱和状态的.因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况.如下列图4:图4双闭环调速系统静特性特性1、转速调节器不饱和这时,两个调节器都不饱和,稳态时,他们的输入偏差电压都是零.*UiUiId,由于ASR不饱和,UiUim,那么IdIdm2、转速调节器饱和.*.一ASR输出到达限幅值Uim,转速外环呈开环状态,转速的变化对于系统不再产生影响,双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统,稳态时：*UIdm1dm,此时必须是nn0的情况.3.2系统的动态性能分析3.2.1 动态数学模型系统的动态数学模型如下列图5:图

5、5双闭环调速系统动态结构图3.2.2 动态性能指标分析1、典型系统的选择为了保证系统稳定性和一定的稳态精度,多采用I型和n型系统.又由于典型一型系统跟随性能好,应选择典型一型系统进行下一步设计.2、动态性能指标跟随性能指标：(1)上升时间tr：在典型的阶跃响应跟随过程中,输出量从零起第一次上升到稳态值C经过的时间称为上升时间.它表示动态响应的快速性.图6动态过程(2)超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中,输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比,用百分数表示,叫做超调量：超调量反映系统的相对稳定性.超调量越小,那么相对稳定性越好,即动态响应比较平稳.(3)调节时间ts:在阶跃响应曲线的稳态值附近

6、,取5%(或2%)的范围作为允许误差带,以响应曲线到达并不再超出该误差带所需的最短时间,定义为调节时间.4校正装置的设计设计多环限制系统的一般原那么是：从内环开始,一环一环地逐步向外扩展.故设计此系统需要的是：先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转速调节器.系统的具体结构如下列图8:图8双闭环直流调速系统结构图4.1 电流环的设计如上图8所示,内环画框图局部为电流环,可根据实际对电流环进行简化,结果为ct1、确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数Tcc三相桥式电路的平均失控时间Ts0,0017so(2) 电流滤波时间常数Toi三相桥式电

7、路每个波头的时间是3.33ms,为了根本滤平波头,应有(12)Toi3.33ms,因此取Toi2ms0.002s.(3) 电流环小时间常数Ti按小时间常数近似处理,取TiTsToi0.0037s.2、电流调节器结构的选择电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,从这个观点出发,应该把电流环校正成典型I型系统.电流环的限制对象是双惯性型的.要校正成典型I型系统,显然因该采用PI调节器.根据设计要求：i5%,而且因此可按典型I型系统设计.电流调节器选用PI型,其传递函数为3、电流调节器参数的选择ACR超前时间常数：iT|0.03s.电流环开环增益：要求i5%时,应取K1Ti0.

8、5因此于是,ACR的比例系数为4、校验近似条件电流环截止频率ciKI135.1,现在,(D晶闸管装置传递函数近似条件:cii30.0017s196.11Ci满足近似条件.忽略反电动势对电流环影响的条件:ci现在,31*1,0.180.03s(3)小时间常数近似处理条件:1130.00170.0023t；,TmTl*件.5、计算调节器电阻和电容电流调节器原理图入下列图9:电流调节器原理图按所有运算放大器取R040K,各电阻和电容值计算如下RiKiRo1.01340K40.52K,取40K0.03R401031060.75F,取0.75FCoi4Toi40.002Ro40108106F0.2F,取

9、0.2F根据上述参数,电流环可以到达的动态指标为：i%4.3%5%,满足设计要求.4.2转速环的设计在设计转速环时,可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节.1、确定时间常数(1) 电流环等效时间常数为2Ti0.0074s.(2) 转速滤波时间常数Ton根据所用调速发电机纹波情况,取Ton0.01s(3) 转速环小时间常数Tn按小时间常数近似处理,取Tn2TiTon0.0174s2、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n型系统设计转速环.故ASR选用PI调节器,其传递函数为Wasr(S)Kn3、选择转速调节器参数nS按跟随和抗扰性能都较好的原那么,

10、取5,那么ASR的超前时间常数转速环开环增益是,ASR的比例系数为4、效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:cn-1现在5Ti50.00371s54.1Xcn满足简化条件.小时间常数近似处理条件:cn32TiTon现在,件.5、32TiTon0.00370.0138.75cn满足近似条cn计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如下列图10:图10转速调节器原理图取R040KRnKnR011.740K468K,取470KCn0.0874701031060.185取0.2FCon4Ton40.01R0340101061F,6、校核转速超调量当h5时,CJmax%CT081.2%;

11、I.Rdnom-CT0.1321360.in515min,因此n81.2%,l515.20.01741.514600.188.31%10%能满足设计要求.说明：O从速度环上看,不能忽略反电势的影响.略.对于电流环ci135.1s1一一40.82s条件成立,可以忽对于速度环1一一40.82s条件不成立,不可cn34.5scn以忽略.但考虑E(s)之后,转速超调会更小,更能满足设计要求.外环一定比内环慢%二135.1s-1J-1270.%般情况下ct(100150)s1cn(2050)s15系统的Simulink仿真模型5.1仿真模型1、计算机辅助分析结构图将上述系统的参数计算值带入系统中,并利用

12、Matlab进行计算机辅助分析,其结构图如下列图9:图11仿真图12、调节器采用抗内环绕型(相当于调节器采用内限幅)图12仿真图23、preventwindup内部结构：图13仿真图35.2系统仿真结果1、转速波形2、电流波形3、电枢电流压波形从图中可以看出,当系统起动时,系统电路的电流在很短的时间内迅速到达200A,再经过约0.3s开始迅速下降到0A,并保持稳定.4、电机转速波形系统起动后,电机转速迅速到达约1460r/min并保持稳定.5、系统性能指标综合以上波形,利用Matlab可将横纵坐标的变化可大致读出来：(1)上升时间：tr0.363s(2)调节时间：ts0.70s(3)转速最大值可到达1470rad/min,那么可计算超调量6、给定与反应波形及加扰动后电流波形下列图从上到下依次为：转速给定与反应波形、电流给定与反应波形、加扰动后电流波形、电枢电流与给定波形、电机转速与给定波形.参考文献1陈伯时主编.自动限制系统工程设计方法.北京：机械工业出版社.20052陆俊主编.电力电子技术.北京：机械工业出版社.20033胡寿松主编.自动限制原理.北京：科学出版社.20004陈伯时主编.电力拖动自动限制系统一一运动限制系统.北京：机械工业出版社.2003心得体会本次课程设计查找了大量资料根底上完成.由于直流双闭环调速系统属于多换限制系统.在设计时采用由内向外,一环包围一环的系统