[毕业设计]双闭环调速系统调节器设计及matlab仿真验证1

1、双闭环调速系统调节器设计及matlab仿真验证1 设计内容及要求1.1 设计内容不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式整流电路，系统的根本数据如下：直流电动机：，允许过载倍数；时间常数：，；晶闸管放大倍数：；主回路总电阻：；额定转速时的给定电压，调节器、饱和输出回路电压，。1.2 设计要求(1)控制电路的设计，包括系统参数的选取、电流环的设计，速度环的设计。(2)稳态要求：稳态无静差。(3)动态要求：电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量。(4)用matlab对双闭环系统仿真，绘制调速系统稳定运转时转速环突然断线仿真框图。(5)撰写设计说明书。2 双闭环直流调速系统

2、的工作原理 双闭环转速环、电流环直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反应闭环控制系统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。采用转速负反应和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接。如图1所示，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样

3、就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。双闭环直流调速系统的动态结构图如图2所示，虚线框内为电流内环。图1 转速、电流双闭环直流调速系统图2 双闭环直流调速系统的动态结构图转速反应系数，电流反应系数。由条件代入一下公式： 2-1 2-2 2-3得到：，1转速调节器的作用：使转速n跟随给定电压 变化

4、，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2电流调节器的作用：在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的平安保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。3 直流双闭环调速系统电路设计3.1 电流调节器设计图3 电流环动态结构图电流环动态结构图如图3所示。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，转速的变化往往比电流变化慢的多。对电流环来说，在电流的瞬变过程中，可以认为反

5、电动势根本不变。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。(1)确定时间常数1)查表可得，三相桥式电路的平均失控时间。2)三相半波整流电路每个波头的时间是，为了根本滤平波头，应有 ，因此取。3)(2)选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电路调节器。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： (2-4) 电流环开环传递函数为： (2-5)因为，所以选择，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数点，以便矫正成典型I型系统，因此 (2-6)(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求，可取。

6、但由此算出的数据无法满足转速要求，所以取。ACR的比例系数 (2-7)(4)检验近似条件电流环截至频率 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)检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)检验电流环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图4所示，所用运放取： 2-8 (2-9) (2-10)图4 含给定滤波和反应滤波的PI型电流调节器3.2 转速调节器设计图5 用等效环节代替电流环把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图6所示。由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转

7、速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，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： (2-11)图6 校正为典型型系统(1)确定时间常数1)电流环等效时间常数为，设计电流调节器时已取 所以 2)转速滤波时间常数。取。3)转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。(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： (2-12)那么校正后的典型型系统为： 2-13(3)计算转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原那么，取，那么ASR的超前时间常数为。转速开环增益为 2-14ASR的比例系数为 2-1

8、5(4)检验近似条件：转速环截止频率1)电流环传递函数简化条件为满足简化条件。2)转速环小时间常数近似处理条件为满足简化条件。(5)计算调节器电阻和电容取，那么 取 2-16 取 2-17取 2-18含给定滤波与反应滤波的PI型转速调节器如图7所示 图7 含给定滤波与反应滤波的PI型转速调节器4 仿真与调试由上面电路设计计算出来的参数，用MATLAB画出方框图，仿真方框图如图8所示。图8 双闭环直流调速系统仿真图仿真要求空载启动到额定转速，并且，在变负载扰动下。所以在转速环引一根反应，K取。ASR、ACR限幅均为。系统稳定运行时，转速环突然断线。用阶跃与转速环相乘，Step time设置成2，

9、Initial value设置为1，Final value设置成0。空载启动，2秒后转速环断线。运行仿真模型，得到仿真波形图,如图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16所示。图9 有ACR限幅电流、转速波形图由波形图可以算出，电流超调量，转速超调量 ，符合动态指标，稳态无静差。图10 无ACR限幅电流、转速波形图ACR有限幅时，一旦PI调节器限幅即饱和，其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，

10、而在稳态时为零。图11 有ACR限幅直流电压波形图图12 无ACR限幅直流电压波形图图13 有ACR限幅ASR输出电压波形图图14 无ACR限幅ASR输出电压波形图图15 有ACR限幅ACR输出电压波形图16 无ACR限幅ACR输出电压波形由图9可以看出，启动过程中电流先增长，然后在一点时间内维持不变，再降到稳态值。而转速是先缓慢加速再和加速上升。可以把启动过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。当系统稳定运行时，在第2秒转速环突然断线。反应线断后，ASR饱和，输出为限幅值。转速环开环，相当于堵转，电流给定为ASR的输出最大值。电流闭环，按最大电流值恒流加速，转速上升。但由

11、于转速反应断线，触发移相控制电压增大到极限，触发角最小移至，转速一直往上增到最大，产生飞车。由以上分析和仿真，可以得知双闭环直流调速系统的优点：1具有良好的静特性；2具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小；3系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；4由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。5 小结与体会本次课程设计让我对双闭环直流调速系统的原理有了进一步的理解,并且使用了Matlab软件仿真集成环境Simulink进行仿真的根本操作

12、方法，使我对Matlab有了进一步的认识。此外，这次课设让我把书本上的理论知识和实际电路仿真联系起来，增强了实践能力。在课程设计过程中，都是按照课本上的设计步骤来做。首先进行对象的分析，设计总体方案，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，确定最终方案，然后设计硬件局部，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各局部的功能模块的实现。在设计完成后进行仿真，利用MATLAB仿真，把电路连好设定好参数进入参数调试、仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件、参数间不相匹配和有错的地方，反复修改，直到符合设计要求。通过此次课程设计我发现，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，以增强自己的动手能力。课程设计过程中，知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足于书本，还要以实践相结合，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的稳固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。参考文献