MATLAB双闭环直流调速系统的工程设计与仿真

厦门大学电气工程实践报告实习项目:双闭环直流调速系统的设计与仿真系别：电气工程学院专业：电气工程及其自动化学号：00000姓名：柯登指导老师：日期：2015年5月1摘要本文以控制系统的传递函数为基础，采用工程设计方法对最常用的转速、电流双闭环调速系统进行设计，并用MATLAB/Simulink软件对系统进行了仿真。首先对双闭环直流调速系统采用常规PID控制进行设计，电流调节器和转速调节器都采用了PID控制器，并分别对电流环和转速环的动态性能和抗扰动性能进行了仿真分析。其次，由于转速调节器起主要作用，所以对转速环采用模糊控制，并设计了模糊控制器，对双闭环直流调速系统进行仿真分析，并与常规PID控制进行了对比，仿真结果表明，模糊控制有良好的动态特性，很强的抗干扰能力。关键词：直流电动机；双闭环调速；电流环；转速环2目录第1章绪论......................................................31.1课题研究背景................................................31.2直流调速系统的国内外研究概况................................31.3研究双闭环直流调速系统的目的和意义..........................4第2章双闭环直流调速系统工作原理..................................4第3章工程设计方法................................................53.1解析问题....................................................53.2电流环设计..................................................63.3转速环设计..................................................6第4章仿真实验....................................................7第5章仿真结果分析................................................8第6章总结.....................................................10参考文献.......................................................113第1章绪论1.1课题研究背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。模糊控制是智能控制的一个重要分支，在自然科学和社会科学的很多领域应用广泛，它不依赖于被控制对象的精确的数学模型，而是将专家的经验及知识转化为语言控制规则，用这些控制规则去控制被控系统，能克服各种非线性因素的影响，对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性，针对直流电动机这种参数可能发生较大变化的被控对象，采用模糊控制具有重大的研究意义。1.2直流调速系统的国内外研究概况随着各种处理器的出现和发展，国外对直流调速系统的研究也在不断的进步和完善，80年代该方面的研究达到最盛的时期。大型的直流电动机的调速系统一般均采用晶闸管触发脉冲，研究人员对控制算法作了大量的研究：提出模糊PID算法、自适应PID算法、内模控制的算法和I-P控制器取代PI调节器的算法等。目前，国外一些电气公司，如瑞典的ABB，德国的西门子、AEG，日本的三菱、东芝，美国的GE、西屋等，均已开发出多个数字直流调速装置，有较成熟的标准化、系列化、模板化的应用产品。从20世纪60年代初随着我国第一只硅晶闸管试制成功以来，晶闸管直流调4速系统得到了广泛的应用和迅速的发展。目前，我国主要采用综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化等方法研究数字直流调速系统。伴随各式新型控制器件的迅速发展，直流电动机晶闸管调速系统正向大功率发展，并实现控制单元小型化、集成化、标准化、积木式组合化。对某些中小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组合一体化。特别是近年来，全数字化直流调速装置在国外各厂家竟相推出，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新台阶。1.3研究双闭环直流调速系统的目的和意义双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。第2章双闭环直流调速系统工作原理双闭环直流调速系统是最典型的调速系统，其原理如图1所示。双闭直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由2个独立的调节器控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制dmI实现电动机的加速，使电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动。在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。5ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；GT—触发装置；*nU、nU—转速给定电压和转速反馈电压；*iU、iU—电流给定电压和电流反馈电压；图1双闭环直流调速系统原理图第3章工程设计方法依据工程设计方法，首先选择调节器的结构，满足稳态精度的同时保证系统稳定，接下来选择调节器的参数，满足动态性能指标的要求。以某双闭环直流调速系统为例，采用三相桥式整流电路，直流他励电动机，已知参数为功率Pe=1.1kw，额定电流Ie=6.7A，磁极对数P=1，en=1500r/min，励磁电压220V，电枢绕组电阻Ra=2.34Ω，主电路电阻R=7Ω，Lm=246.25mH（电枢、平波电感和变压器电感之和），Ks=58.4，机电时间常数Tm=116.2ms，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数λ=1.5，电流给定最大值U*in=10V，速度给定最大值U*n=10V。3.1解析问题（1）1/220/15000.147/(.min)eeeCUnVr（2）电流反馈系数*/*/10/(1.56.7)0.995/iimdmimnomUIUIVA（3）转速反馈系数1*/10/15000.147/(.min)nnmnomUIVr（4）整流装置滞后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控时间选用Ts=0.0017s63.2电流环设计（1）传递函数处理忽略反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈断开，1/TLR为电枢电路电磁时间常数1/0.24625/2.340.105maTLRs最后soiTT和都比1T小得多，所以课当作小惯性环节处理，等效成一个惯性环节0.00170.002350.0041isoiTTTs（2）电流调节器ACR结构选择按典型I系统来设计1()iACRiisWsKs为了抵消控制对象的大时间常数的极点10.105iTsisiIiKKKR（3）电流调节器的参数选择，电流调节器超前时间常数按5%i，取0.5IK所以10.5/0.5/0.0041121.9IiKTs得121.90.1050.9342.05758.40.995isiIiKKKR所以10.1051()2.0570.105iACRiissWsKss3.3转速环设计（1）控制对象传递函数处理在设计转速环时，已设计好的电流环可以看做是转速调节系统中的一个环节，根据电流环动态结构图，其闭环系统传递函数为而电流调节器设计时KixTi=0.5所以这样7（2）转速调节器结构选择为了实现转速调节无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，转速环节按Ⅱ型系统设计。利用PI调节器转速环增益为（3）转速调节器参数选择去h=5,调节器转速环ASR的超前时间常数为转速开环增益为：所以转速PI调节器第4章仿真实验电流环和转速环都采用PI调节，整个系统的MATLAB仿真框图如图2所示：8图2系统的MATLAB仿真框图第5章仿真结果分析（1）改变转速调节器的参数改积分时间常数0.053S为0.253S，负载电流为100A，电机转速波形为：图3电机转速波形（4）改电流环参数改电流环积分时间常数0.205S为0.105S后，电机转速波形为：9图4电机转速波形通过不同给定负载下的仿真波形，可以直观地看到按理论方法设计的调速系统从启动到稳定运行的各个阶段。电动机的启动特性已十分接近理想特性，所以系统设计对于启动特性来说，已达到预期目的。但对于系统性能指标来说，启动过程中电流的超调量达到近25%，显然这一指标与理论最佳设计尚有一定的差距。系统还未调整到最佳状态，又将ASR与ACR的参数作进一步调整，可使系统动态参数进一步改善。在仿真过程中，必须经过大量的实验，适当地调整参数，才能得出超调量较低、稳定性能较好的系统。10第6章总结通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。本课程设计综合运用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动与控制技术等的知识，为了更好的完成设计，我又重新复习了一遍原来所学的知识，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能力，同时使我认识到了各个课程之间是紧密联系的。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅，同时感谢在设计中提供帮助的老师和同学们11参考文献[1]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M]．北京：中国电力出版社，2005[2]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2008[3]陈