直流双闭环调速系统仿真模型的建立

直流双闭环调速系统仿真模型的建立

运动控制系统在教学与科研中的应用运动控制系统是一门重要的专业课程。预计运动控制与电子电源和计算机技术是未来科学研究的支柱。因此研究运动控制系统的教学规律,提高教学质量,培养高素质的自动化专门人才有着十分重要的意义。在教学与科研中,利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型,可以进行教学与科研实验,这种方法具有实验室建设成本低、实验时间自由、实验开放性好、参数调整方便、实验效果佳等几大优点。在我国高校自动化专业教学中推广应用这种方法,对于提高教学质量有着十分积极的意义。1仿真模型建立目前,运动控制系统课程关于直流双闭环调速系统两个调节器的工程设计方法,分析得十分清楚,但是真正掌握并应用到工程实际当中去尚有较大的难度,教学中利用MAT-LAB/SIMULINK的强大功能,建立该系统的仿真模型,进行相应的实验,有助于掌握这一方法的应用,提高学习效果。下面通过一个实例来说明仿真模型的建立方法。设某晶闸管双闭环直流调速系统,采用三相桥式电路.基木数据如下:直流电动机:220V,136A,1460r/min,允许过载倍数为λ=1.5,Ce=0.132Vmin/r;晶闸管装置放大系数:Ks=40;电枢回路总电阻:R=0.5;时间常数:TL=0.03s;Tm=0.18s;电流反馈系数:β=0.05V/A;转速反馈系统:α=0.007Vmin/r;设计指标:静态指标:无静差;动态指标:电流超调量σi<5%;空载起动到额定转速超调量σn<10%;调节器输入电阻R0=20KΩ。为了建立好仿真模型,首先要进行稳态参数与动态参数计算,从而确定转速与电流两个调节器的比例与积分参数及相应的限幅值。1.1计算速度调节器计算额定转速下的给定电压值:Un*=an0=an=0.007*1460=10.22V;计算速度调节器的限幅值:Ui*=Ui=BIdL=0.05*1.5*136=10.2V;计算电流调节器的限幅值:1.2动态参数计算1.2.1电流调节器选型整流装置滞后时间常数Ts=0.00167s;电流滤波时间常数Toi=0.002s;电流环小时间常数T=Toi+Ts=0.0037s(2)选择电流调节器结构,根据设计要求:iσ不大于5%,且可按典型I型设计,电流调节器选用PI型。(3)选择电流调节器参数ACR超前时间常数τi=TL=0.03s;电流开环增益(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1.2.2转速调节器参数电流环等效时间常数为:2TΣÁ=2×0.0037S=0.0074S;转速滤波时间常数为:TÁÂ=.001S转速环小时间常数为:TΣÂ=2TΣÃ+TÁÂ=0.0074+0.01=.00174S由设计要求,转速调节器必须含有积分环节,故按典II设计并用PI调节器。(3)计算转速调节器参数转速开环增益:KÂ=h+1=6=396.64S-ÁASR的比例系数为:KÁ=(h+)1βCÃTÂ=6×.005×0.132×.018=11.7(4)校验近似条件(5)校核转速超调量确定好两个调节器的基本参数、ASR和ACR的限幅值以后,调用MATLAB/SIMULINK相应的模块,并根据本实例给出的基本参数修改调出的模块。建立的仿真模型如图1所示。2特性测试方法图1双闭环直流调速系统仿真模型没有做近似处理。其中没有忽略直流电动机反电动势等的影响。利用图1仿真模型既可以完成运动控制系统按教学大刚规定的全部教学实验,也可以完成其他一些研究性实验。(1)基本实验(1)起动特性IÁ=f(t)n=f(t)、实验突加给定空载IÁÂ=0起动时,给定定、ASR、ACR、电动机电枢电流与转速波形特性曲线如图2所示。从起动特性曲线可以看出,起动过程中ASR从起动到稳速运行经历了经历了饱和限幅和线性调节两种状态;电流调节器ACR从起动到稳速运行只经历了线性调节一种状态。直流电动机电枢电流特性曲线基本上和理想情况相似。说明该系统的设计对于起动特性来说基本达到预期的要求。同理,给定电压UÂÁ=ÃÄÁÂÁÁ不变,改变负载IdL模块的具体数值,可以测量出相应情况下的特性曲线。(2)调速实验调节转速给定电压得到转速与时间的关系曲线如图3所示。(3)机械特性测定实验调节转速给定电压的大小,使电机空载转速到1460r/min,,再调节负载IdL模块的具体数值,在空载到额定负载范围内观察示波器Scope分别记录7-8个点,就可以测量出系统静态特性曲线(4)闭环特性测定实验调节转速给定电压的大小,记录与n的大小,测定7-8组实验数据可以绘制闭环特性曲线。调节转速给定电压的大小,记录与n的大小,测定7-8组实验数据可以绘制闭环特性曲线。(5)抗干扰实验设IdL模块初始值为额定负载,运行到1.5秒时刻负载变为1.5倍的额定负载,可以求得抗负载扰动特性实验曲线,并求出相应的抗干扰性能指标如反向恢复时间与动态转速降落等)。实验曲线如图4所示。(5)其他实验本仿真模型除了能完成以上实验外,还可以完成转速负反馈接成正反馈实验(只要将比较器都设置成加即可)、ASR、ACR两个调节器参数变化对系统性能影响实验(只要打开ASR、ACR模块改变其中的参数就可以做实验)、电流滤波时间常数与转速滤波时间常数变化对系统性能影响实验、电流ACR限幅值与度ASR限幅值对系统性能的影响、速度环突然断开对系统性能影响实验等。(2)研究性实验(1)近似处理与工程实际差异研究图5是忽略电动机反电动势后电动机起动特性曲线,它是在图1的基础上去掉反电动势E回路后进行实验的。图5与图1两个曲线有差异,原因是仿真模型是依据实际系统建立的,两个调节器参数有限幅值是按工程设计方法进行近似处理后计算的因此实验结果有一定差距。这个实验可以明显的看出这一差异。(2)线性二次型最优控制研究实验利用线性二次型最优控制的基本原理,将这一模型适当改造可实现直流调速的最优控制。(3)单神经元控制直流双闭环调速实验利用神经网络的基本原理,将这一模型的调节器换成单神经元调节器实现直流调速的神经网络控制。将复杂抽象的理论具体化,便于学生掌握与应用。3仿真模型实验教学法利用双闭环直流调速系统调节器的工程设计方法确定两个调节器的参数,再结合双闭环调速系统的基本工作原理确定两个调节器的限幅值,调用MATLAB/SIMULINK中的基本模块,按工程实际改变相应模块的参数,设定合适的仿真算法、仿真时间、步长、相对误差等很容易建立起双闭环直流调速系统的仿真模型,利用这一模型可以完成运动控制系统按教学大刚规定的全部教学实验,也可以完成其他一些研究性实验。这种实验方法在讲述完双闭环直流调速系统的基本理论以后,对该模型的建立与实验应用稍加解释说明,学生很容易理解与接受,学生可以在自己的电脑上随时进行实验,方便快捷。总体说来这种方法有以下几个优点:(1)实验室建设成本低。在我国高校一般都有微机实验室,只要在微机里装上MATLAB7.0就可以进行实验。实验环境好,耗电少。(2)实验时间自由。学生可以按教学计划到学校微机实验室做实验,也可以装上MATLAB7.0在自己的电脑上做,时间自由,想什么时候做就可以什么时候做。可以一个人独立完成,而硬件的电力电子与运动控制系统实验一般3-4人一组,效果一般。(3)实验开放性好。本模型在完成基本教学实验的基础上,可以完成其他一些实验,如神经网络、二次型最优控制在直流调速系统中的应用实验。加深了不同课程之间的联系与综合应用。(4)参数调整方便。双击相应的模块可以灵活改变参数,比硬件实验方便。本文作者创新点在在于利用当今先进的计算机技术成功地应用于教学与科学研究当中,提高教学质量与科研水平。作为有较大学习难度的运动控制系统课程,笔者采用仿真模型