双闭环直流调速系统设计及matlab仿真验证概要

双闭环直流调速系统设计与MATLAB仿真验证班级:姓名：学号：指导教师:摘要：对双闭环直流调速系统的电流调节器和速度调节器用PID调节器进行设计，该方法比以前常用的PI调节器大大地减小饱和超调，仿真结果表明，该方法十分有效。关键词：直流调速系统；调节器；超调；仿真1双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统的介绍双闭环直流调速系统，是在单闭环直流调速系统的基础上发展起来的.转速单闭环调速系统使用PI调节器，可以实现转速的无静差调速，采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足基本要求，但电流环只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1-（1）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，起动（调整时间\）的时间就比较长。在实际工作中为了尽快缩短过渡时间，希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，并且始终允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-1-（2）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得到的最快的起动过程。⑴带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 （2）时间最优的理想过渡过程图1-1调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值/加的恒流过程。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就能得到近似的恒流过程。问题是应该在启动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。双闭环调速系统的组成为了达到1.1节分析后的目的，系统采用转速、电流双闭环直流调速系统。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1-2所示。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。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静，动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。U*nTA图1-2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图U*nTA图1-2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图图中U*、Un—转速给定电压和转速反馈电压；U.*、Ui—电流给定电压和电流反馈电压；ASR一转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；UPE一电力电子变换器。本设计采用三相全控桥整流电路，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，改变控制角的大小可有效的调节转速，由于使用了闭环控制，并且内外环均采用PI调节器，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性双闭环直流调速系统稳态结构如图1-3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U*决定了电流给定的最大值，im电流调节器ACR的输出限幅电压U,m限制了电力电子变换器的最大输出电压。加，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退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入与输出间的联系，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，其作用是输入偏差电压U在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱和和不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到0m时对应于转速调节器为饱和输出U*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的im自动保护作用。4图1-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图a一转速反馈系数0—电流反馈系数TOC\o"1-5"\h\zU* 10a=f二——二0.027Vpmin/rn 375 口八 U* 100二f二 二0.0088V/AIm 1.5x7601.4双闭环直流调速系统的动态数学模型图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图其中WAsJS）和WAcJS）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，在动态结构图中引出相应的电枢电流I/而a表示转速反馈系数，0表示电流反馈系数。起动过程分析图1-5双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形从电流与转速变化过程所反映出的特点可以将起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段：电流上升阶段：突加给定电压U*后，经过两个调节器的跟随作用，U、U、n cd01d均上升，但是在1d没有达到负载电流1dL以前，电动机还不能转动。当1d>1dL后，电动机开始起动，由于几点惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压(AU=U*-U)的数值仍较大，其输出电压保持限幅值cnnU*， 强迫电枢电流状态，而ACR一般不饱和。恒流升速阶段：此阶段中，ASR始终是饱和的，转速换相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调速系统，基本上保持电流很定，因而系统加速度恒定，转速呈线性增长（见图1-5）。转速调节阶段：当转速上升到给定值是，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差为负，使它开始推出饱和状态，电动机开始在负载的阻力下调速，直到稳态。此阶段中，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id很快地跟随其给定值U*。起动过程归纳的特点有：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制。2双闭环控制直流调速系统的设计电流调节器的设计电流调节器的工作原理及作用电流调节器有两个输入信号。一个是转速调节器输出反映偏差大小的主控信号吸*，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号外，当突加一个很大的给定速度输入值其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转距和最大力口速度，使起、制动过程时间最短。如果电网电压发生突变（如降低）时，整流器输出电压也会随之妣（降氐），引起主回路电流变化（减小），由于快速性好，立即使调节器的输出变化（增大），则也变化（变小），最后使整流器输出电压又恢复（增加）至原来的数值，这就抑制了主回路电流的变化。也就是说，在电网电压变化时，在电动机转速变化之前，电流的变化首先被抑制了。同样，如果机械负载或电枢电流突然发生很大的变化，由于采用了频率响应较好的快速电流负反馈，当整流器电流侧发生类似短路的严重故障时，电流负反馈也及时的把电流故障反馈到电流控制回路中去，以便迅速减小输出电压，从而保护晶闸管和电流电动机不致因电流过大而损坏。综上所述，电流调节器ACR的主要作用如下：（1）对电网电压波动起抗干扰作用；（2）启动时保证获得容许的最大电流r；dm（3）在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化；（4）当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速

的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。电流环结构图的简化K Ud0K Ud0(S)1/RTs+1 *Ts+1-s- lId(S)+^|ACRJLUi(s)Ts+1Ts+10i图2-1电流环的动态结构图由于突加给定阶跃后，速度调节器输出马上达!他和限幅值，电流环投入工作使电机电枢电流很快上升，相对电流来说，速度变化很缓慢。因此可以认为反电势产生的影响很小，令AE=0，则图2-1通过结构图变换，简化为图2-2图2-2图2-2电流环动态结构图的化简一查表得三相桥式全控平均失控时间T=0.0017s，电流滤波时间常数Ti=0.002s，电磁时间常数1=0.031s，T和T都比/小得多，可以当作小惯性环节处理，看成一个惯性环节，取则电流环结构图最终简化成图3-3.

U*(s)U*(s)图2-3电流环动态结构图的化简二图2-23c确定时间常数1）查表可得，三相桥式电路的平均失控时间T=0.0017s。2）三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1〜2）T.=3.33ms,，因此取T=2ms=0.002s。3）电流环小时间常数之和Tz,。按小时间常数近似处理，取T.=T+T=0.0037s选择电流调节器结构根据设计要求。＜5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电路i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：K(TK(Ts+1)

Ts（2-1）电流环开环传递函数为:（2-2）K(Ts+1) PKR（2-2）iTs(TL+1)(Tis+1)因为tl»t，所以选择二='，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，因此卬（s）=KPKR=—K1— （2-3）opiTsTs+1） sTs+1）

检查对电源电压的抗扰性能：1T。9231=8.38,查看对应表格的典型I型T0.0037£i系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。厂T=0.031s。电流环开环增益：要求。＜5%，查表可取KT=0.5。但由此算出的数据无法满足转速要求，所以取KJe=0.25。K=0.25=67.568I0.0037ACR的比例系数k=k=KTTR

iKP67.568义0.031义0.14 40.44475义0,0088检验近似条件电流环截至频率①.=K=65.568s-11）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件:满足近似条件—= s-1土191.1s-1>①满足近似条件3T 3义0.0017 cs2）检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件:1\0.112x0.0311\0.112x0.031s-1氏50.913s-1〈①满足近似条件ci1=—x1=—x3满足近似条件二 s-1x180.775s-1>w满足近似条件\0.0017x0.002 ci10

2.1.7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R0=40KQ：R=KR0=0.444义40KQ=17.76KQ取18KQ-1.75uF取1.75-1.75uF取1.75rFC——『- iR 177604T4*0.00240000-0.24T4*0.00240000-0.2uFOi0图3-4含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器其中，U：为电流调节器的给定电压，-B1d为电流负反馈电压调节器的输出漉触发装置傩制电压入。2.2转速调节器的设计转速调节器的工作原理及作用在主电机上安装一电流测速发电机发出正比于主电机转速的电压此电压Un与给定电压U；相比较，其偏差AUn送到转速调节器ASR中去，如欲调整，可以改变给定电压。例11

如提高U*,则有较大AU加到ASR输入端，ASR自动调节GT,使触发脉冲前移（。减小），n n整流电压U”提高,电动机转速上升，与此同时，Un也相应增加。当等于或接近给定值时，系统达到坪衡，电动机在给定数值下以较高的转速稳定转动。如果电动机负载或交流电压发生变化或其它扰动，则经过速度反馈后，系统能起到自动调节和稳定作用。比如，当电机负载增加时，转速下降，平衡状态被破坏，调节器输出电压增加，触发脉冲前移（a变小），U提高，电动机转速上升。当其恢复到原来数值时，U又d n等于给定电压，系统又达到抨衡状态。如果扰动不是来自负载而是来自交流电网，比如交流电压下降，则系统也会按上述过程进行调节，使电动机转速维持在给定值上运行。同样道理，当电动机负载下降，或交流电压提高时，系统将按与上述相反过程进行调节，最后仍能维持^动机转速近似不变。综上所述，转速调节器ASR的主要作用如下：（1）使转速n跟随给定电压U*变化，保证转速稳态无静差；n（2）对负载变化起抗干扰的作用；（3）输出限幅值决定电枢主回路的最大容许电流值/dzn。电流环的等效闭环传递函数在设计转速调节器时可把已设计好的电流环看作是转速调节器的一个环节为此必须求出它的等效传递函数。图3-5给出了校正成典型1型系统的电流环的结构图及开环对数幅频特性，其闭环传递函数为⑸ （b）图2-5校正成典型I型系统的电流环a）动态结构图b）⑸ （b）图2-5校正成典型I型系统的电流环a）动态结构图b）开环对数幅频特性K

1 S(Ts+1)W(s)= st- cli“K1+ 1——s(Ts+1)Si1T s~~；_£^s2+——+1KK(2-4)12(2-5)(2-6)采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，Wci(s)可降阶近似为(2-5)(2-6)Wcii(s)X由直流电动机动态结构图知电流闭环传递函数为W(s):s)c〃 U*(s)/p因此电流环的等效环节应相应地改成—4 —4 U*(s)i原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是乙和T、.，采用闭环控制后，整个电流环等效近似为只有较小时间常数—的一阶惯性" KI环节。这就表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。转速调节器简化图2-6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n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：13

((2-8)ASR品&Hi)

/%+1)图2-7校正为典型11型系统确定时间常数1）电流环等效时间常数为1/KI,设计电流调节器时已取K%=0.25所以—=4T=4*0.0037=0.0148sK »♦I2）转速滤波时间常数T。取T=0.01S。ononon3）转速环小时间常数3）转速环小时间常数T。按小时间常数近似处理，取Zn1一+T=0.0248s。i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:(2-9)K(Ts(2-9)W (S) nn asr Ts则校正后的典型n型系统开环传递函数为:14

巾/、K(ts+1)P KaR巾/、K(ts+1)P KaR(ts+1)W(S)= n n = n n ntsCTsQs+1)tPCTs2(Ts+1)(2-10)令转速环开环增益八为KaRK= n NTnPCT(2-11)K(ts+1)W(s)=-N—n n s2(Ts+1)En(2-12)不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构图示于图3-72.2.6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=5，则ASR的超前时间常数为T=hTz=0.124s。转速开环增益为h+1 =195.11s-2h2T2

ZnASR的比例系数为S+1)PCT=11,61

2haRTZn2.2.7检验近似条件转速环截止频率=KN=KT=24.19s-1

cn3 Nn1）电流环传递函数简化条件为1K=45.045s-1>3满足简化条件3TT cnZZi2）转速环小时间常数近似处理条件为15

1K=27.4*i>① 满足简化条件3\T 6on2.2.8计算调节器电阻和电容取R°=40KQ，则R=KR°=266.4KQ 取270KQ取0.4uF取luFC=二=0」F氏0.38uFn取0.4uF取luFnCon4T“=4义0.01=1MF~R^―40000-UCon含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-8所示图2-8含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.3超调量的计算如果转速调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大范围内线性工作，则双闭环系统起动的转速过渡过程就会产生较大的超调量。实际上，突加给16定电压后，转速调节器很快就进入了饱和状态，输出恒定的限幅电压U*，使电im动机在恒流条件下起动，起动电流I。/=U*/P，而转速则按线性规律增长。ddmim虽然这时起动过程要比调节器没有限幅时慢得多，但是为了保证起动电流不超过允许值，这是必须的。当电动机空载起动时Z=0，，作为转速超调量。n，其基准值应该是n*，查表可以得出当h=5时，C/Cb=81.2%，则可以求出转速调节器退饱和时转速超调量为[AC)

-CmxIbJ760x0.14〜 T820.0174 〜 〜=2x81.2%x1.5x—182—x— =5.9%<10%375 0.112满足设计要求。3双闭环直流调速系统matlab仿真利用matlab软件的simulink模块搭建的双闭环调速系统结构图如下图3-1所示17图3-1双闭环调速系统仿真模型调速系统稳定运行在满磁通时系统仿真波形图设置与乘法器相连的阶跃信号一直保持为0,如下图3-2所示，那么相当于调速系统在满磁通下正常运行。此时调速系统的各项参数的波形如下图3-3、4所示。图3-2正常运行时时阶跃信号的设置图3-3正常情况下启动电流、启动转速波形图18

图3-4正常情况下ASR、ACR、直流电压Ud波形图稳定运行时磁场突然减半仿真框图根据任务书的要求，我们需要仿真验证该直流调速系统在稳定运行时磁场突然减半仿真框图，仿真得出启动转速，启动电流，直流电压Ud，ASR、ACR输出电压的波形。由课本基础知识知道，当磁通减半时，相应的电动势常数也随之减半。因此，在matlab仿真结构框图中的相应的比例放大器增大两倍。我采用的方法是，利用一个乘法器和一个阶跃信号，与直流调速系统正常时的比例放大器通过加合使得比例放大器在调速系统正常运行到某一时刻加倍，也就是此时磁场突然减半的效果。我设置的时间为4s后磁场减半，如下图4-5所示。此时系统中各个参数的波形如图3-6、3-7所示。图3-5正常运