电流转速双闭环系统的设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上一、目 录摘要2一、 概 述2二、 设计任务与要求 32.1 设计任务32.2 设计要求4三、 理论设计 43.1 方案论证 43.2 系统设计43.2.1 电流调节器设计 43.2.2 速度调节器设计 8四、 系统建模及仿真实验 13 4.1 MATLAB 仿真软件介绍 134.2 仿真建模 134.3 仿真波形分析 16五、 总结与体会 18参考文献 19 摘 要 从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。采用PI调节的单个转速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高，例如

2、要求快速启制动，突加负载动态速降等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。双闭环直流调速系统是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流变化率内环的三环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并

3、进行校正，得出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制作的一些情况。关键词：MATLAB 直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器 干扰 一、概述 本章主要介绍典型系统的数学模型、参数和性能指标关系，系统结构的近似处理和非典型系统的典型化，速度、电流双闭环直流调速系统工程设计方法。在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动

4、态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电流环，相应的要运用转速调节器和电流调节器对转速和电流进行调节。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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，形成转速、电流双闭环调速系统。自动控制原理中，为了区分系统的稳态精度，按照系统中所含积分环节的个数，把系统分为0型、I型、II型系统 。系统型别越高，系统的准确度越高，但相对稳定性变差。0型系统的稳态精度最低，而I

5、II型及III型以上的系统则不易稳定，实际上极少应用。因此，为了保证一定的稳态精度和相对稳定性，通常在I型和II型系统中各选一种作为典型，称为典型I型和II型系统，作为工程设计方法的基础。在此实验中，则是将电流环设计成典型I型，将转速外环设计成典型II型系统，从而实现设计的最优控制。采用PI调节的单个转速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。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。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈

6、，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。因此，只有设计成转速、电流双闭环直流调速系统则能满足这个要求。二、设计任务及要求2.1设计任务设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机参数：l 额定功率25KW，额定电压220V，额定电流136A，l 额定转速 1600r/m，=0.132Vmin/r， l 允许过载倍数=1.5。l 晶闸管装置放大系数：=40l 电枢电阻：Ra=0.5l 电枢回路总电阻：2Ra=1l 时间常数：机电时间常数=0.18s， 电磁时间常数=0.03sl 电流反馈系数：=0.05V/Al 转速反馈

7、系数：=0.007v min/rl 转速反馈滤波时间常数：=0.005s，=0.005sl 总飞轮力矩：GD=2.5N.m h=6 2.2设计要求 系统稳态无静差，电流超调量 i 5%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n 10。系统具有过流、过压保护。三、理论设计3.1方案论证按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计电流变化率内环）。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性

8、能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指括的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。

9、这样，就有了建立工程设计方法的可能性。双闭环直流调速系统的结构框图:图3.1 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.2系统设计3.2.1电流调节器设计1电流环结构框图的化简在双闭环调速系统中，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，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,可认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节

10、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。最后，由于和一般比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节。则电流环结构框图最终简化为图3-2。图3-2 电流环最终简化动态结构框图2电流调节器结构的选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，再从动态要求看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。其传递函数

11、可以写成 (3-1) 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 (3-2)则电流环的动态结构框图便成为图3-3所示的典型形式。 (3-3)图3-3 校正成典型性系统的电流环动态结构框图图3-4绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性。上述结果是在一系列假定条件下得到的。 图3-4 校正后电流环的开环对数幅频特性3电流调节器的参数计算（1）确定时间常数 整流装置滞后时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间：Ts=0.00167s0.0017s 电流滤波时间常数： 电流环小时间常数之和,按小时间常数近似处理，取检查对电源电压的抗扰性能计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数: 电流环开环

12、增益：要求si 5%，按附表1，应取=0.5，因此 （3-3）于是，ACR的比例系数为 （3-4） 代入数据得到电流调节器的传递函数为（4）校验近似条件电流环截止频率： 晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。 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。 电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。4电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3-5所示。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。根据运算放大器的电路原理，可以容易的导出 (3-5) (3-6) (3-7)根据式3-5，3-6，3-7，取，各电阻和电容

13、值为 ，取， 取，取图3-5 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。3.2.2速度调节器设计1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数。由图3-3可知 (3-8)忽略高次项，可降阶近似为 (3-9) 接入电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为 (3-10)2转速调节器结构的选择及参数计算用电流环的等效环节代替图3-1中的电流环后，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

14、，其中 (3-11)则转速环结构框图可简化成图3-6。图3-6 用等效环节代替电流环小惯性的近似处理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（见图3-6）。现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，所以应设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 (3-12)式中 K转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间系数。不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图3-7所示图3-7 校正后成为典型型系统的转速环1. 确定时间常数 电流环

15、等效时间常数由 知 转速滤波时间常数 转速环小时间常数3计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=6，则ASR的超前时间常数为 由式(4-14)可求得转速环开环增益K=于是，由式可得ASR的比例系数为 代入数据得到转速调节器的传递函数为 4检验近似条件转速环截止频率 校验电流环传递函数简化条件是否满足 满足简化条件。 校验转速环小时间常数近似处理条件是否满足 满足近似条件。4转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3-8所示。图中U为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压U。图3-8 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器与

16、电流调节器相似，转速调节器参数与电阻、电容值的关系为 (3-16) (3-17) (3-18)由3-16、3-17、3-18得，取，各电阻和电容值计算如下，取，取，取5转速调节器退饱和时转速超调量的计算电动机在起动过程中转速必然超调，但这时的超调是经历了饱和非线性区域之后的超调，即“退饱和超调”。在计算退饱和超调量时，因退饱和的过程与同一系统在负载扰动下的过渡过程是完全一样的，故可利用附表2给出的典型系统扰动性能指标来计算退饱和超调量。 (3-19) (3-20) (3-21) (3-22) (3-23)按退饱和超调量的计算方法计算转速超调量设理想空载起动时，当时，查附表2得：则能满足设计要求

17、。3.2.3转速环与电流环的关系外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。本章就是对转速电流双闭环直流调速系统的设计过程。四、系统建模及仿真实验4.1MATLAB仿真软件介绍MATLAB是建立在向量、数组和矩阵基础上的一种分析和仿真工具软件包，包含各种能够进行常规运算的“工具箱”，如常用的矩阵代数运算、数组运算、方程求根、优化计算及函数求导积分符号运算等；同时还提供了编程计算的编程特性，通过编程可以解决一些复杂的工程问题；也可绘制二维、三维图形，输出结果可视化。目前，已成为工程领域中较

18、常用的软件工具包之一。 随着计算机的发展，仿真的发展经历模拟仿真、混合仿真、数字仿真的历史过程。目前，采用数字计算机的数学仿真获得了普遍的应用。计算机仿真的三个基本要素是系统、模型和计算机，联系着它们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建立（又称为二次建模）和仿真试验Simulink是Math works公司于1990年推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。从名字上看，立即就能看出该程序有两层含义，首先，“Simu”，一词表明它可以用于计算机仿真，而“Link”一词表明它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。最近几年，后来崛起的Simulink己成为学术

19、领域及工业领域在构建、仿真与分析动态系统上使用最为广泛的软件包，它支持线性及非线性系统，能创建连续时间、离散时间或者两者混合的系统模型。系统也能够是多采样频率的（Multiarte），也就是不同的系统能够以不同的采样频率结合起来。Simulink作为MATLAB的一个附加组件，用来提供一个系统的建模与动态仿真工作平台。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型的，特别对于复杂的非线性，它的效果更为明显。4.2、仿真建模现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图3.9所示： 图3.9 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un

20、+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如 图3.10所示： 图3.10 双闭环调速仿真系统结构图1、直流双闭环调速系统速度阶跃输入的仿真（速度给定1400r/m）仿真实验由以上仿真得到双闭环系统（在速度给定1400r/min时）的转速和电流波形图如图3.11和图3.12 图3.11 双闭环系统仿真转速波形图 图3.12 双闭环系统电流波形图2双闭环调速系统在扰动作用下（电网电压干扰和反馈系数变化干扰）的仿真实验 在扰动作用下系统转速和电流波形如下图3.13。 图3

21、.13 系统在内环扰动下的电流和转速波形图4.3仿真波形分析1、双闭环系统电流、转速波形分析从图3.11、3.12波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第阶段：电流上升阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.第阶段：是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。

22、因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段：转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在三闭环直流调速系统中的作用归纳为： 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

23、 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。电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，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、扰动作用下性能分析电流环抗扰性能分析对大多数机器

24、设备，控制系统的抗扰性能指标是至关重要的，它比系统的跟随性能指标更为人们所关注。对于电流环，通过上面的仿真图可以看出，它的抗扰性能有如下几点：1）由于电流环的存在，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，抗扰性能大有改善。2）同样由上图也可以看出系统对负载的大幅度突变也有良好的抗扰能力。 3）从图中还可以看出，当扰动作用发生时，系统在0.3s内即可达到稳定，可见它的响应速度是非常快的，这也是我们设计此系统的原因之一。转速环的抗扰性能的分析在分析了电流环的抗扰性能后，再来分析一下转速环的抗扰性能。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是

25、抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。由上面的仿真图可以看出它的抗扰性能有如下几点：1）由于负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。负载扰动可以通过转速反馈得到比较及时的调节，抗扰性能大有改善。2）同样由上图也可以看出系统对电网电压的大幅度突变也有良好的抗扰能力。3）从图中还可以看出，当扰动作用发生时，系统在0.3s内即可达到稳定，可见它的响应速度也是非常快的，同样，这也是我们设计此系统的原因之一。五、总结与体会随着近代电力电了技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进，以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。本文设计的是转速电流双闭环直流调速系统，在设计中，使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、数学模型、静特性和动态性能有了总体的认识，并对调节器的工程设计方法有了本质上的把握，从而才具备了清晰的设计思路来完成本次设计。对工程设计方法有了一定的了解后，结合教材所学内容，就可以对设计方案进行选择。在对转速环和电流环作了相应的简化后，依据设计所需要的静特性与动态性能确定系统的型别及选用的调节器类型。该系