双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG双闭环直流调速系统的设计与仿真1、实验目的1．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理。2．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。3．掌握调节器的工程设计及仿真方法。2、实验内容1．调节器的工程设计2．仿真模型建立3．系统仿真分析3、实验要求用电机参数建立相应仿真模型进行仿真4、双闭环直流调速系统组成及工作原理晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机—发电机组等组成。本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Uct作为触发器的移相控制电压，改变Uct的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即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，如图4.1。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流的输出去控制电力电子变换器UPE。在结构上，电流环作为内环，转速环作为外环，形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态特性，转速和电流两个调节器采用PI调节器。图4.1转速、电流双闭环调速系统5、电机参数及设计要求5.1电机参数直流电动机：220V，136A，1460r/min，=0.192V•min/r，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：=40电枢回路总电阻：R=0.5时间常数：=0.00167s,=0.075s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：=0.007V•min/r5.2设计要求要求电流超调量5%，转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。6、调节器的工程设计6.1电流调节器ACR的设计（1）确定电流环时间常数1）装置滞后时间常数=0.0017s；2）电流滤波时间常数=0.002s；3）电流环小时间常数之和∑=+=0.0037s；（2）选择电流调节结构根据设计要求5%，并且保证稳态电流无差，电流环的控制对象是双惯性型的，且∑=0.03/0.0037=8.1110，故校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成()式中—电流调节器的比例系数；—电流调节器的超前时间常数。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：==0.03s。电流环开环增益：要求5%时，取∑=0.5，因此∑于是，ACR的比例系数为（4）校验近似条件电流环截止频率=135.11）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为196.1，所以满足近似条件；2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：√40.82，所以满足近似条件；3)校验小时间常数近似处理是否满足条件：()√180.8，所以满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。同理，当KT=0.25时，可得=0.5067=16.89;当KT=1.0时，可得=2.027=67.5676.2转速调节器ASR的设计（1）确定转速环时间常数1）电流环等效时间常数为∑=0.0074s；2）电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s；3）转速环小时间常数∑=∑+；（2）转速调节器的结构选择由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环，转速调节器选用比例积分调节器（PI），其传递函数为()式中—电流调节器的比例系数；—电流调节器的超前时间常数。（3）选择转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为∑，转速开环增益为∑所以转速调节器的比例系数为()∑（4）校验近似条件转速环截止频率34.51）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于()√∑63.7,所以满足简化条件；2）校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件：由于()√38.7，所以满足近似条件。3）核算转速超调量当h=5时，=81.2%，而==515.2rpm，因此()()(∑)()=8.31%10%能满足设计要求。7、仿真模型的建立利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台，建立仿真模型。如图7.1为电流环的仿真模型，图7.2为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。图7.1电流环的仿真模型图7.2转速环的仿真模型8、仿真结果分析当取=1.013，=33.77时，电流环阶跃响应快，超调量小。图8.1电流环仿真结果当=0.5067，=16.89时，电流环阶跃响应无超调，但上升时间长。图8.2无超调的仿真结果当=2.027，=67.567时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。_图8.3超调量较大的仿真结果当=11.7，=134.48时，图7.2中“step1”中“steptime”值为0，“finalvalue”值为10，代表空载状态，此时系统起动速度快，退饱和超调量较大。图8.4转速环空载高速起动波形图当=11.7，=134.48时，图7.2中“step1”中“steptime”值为0，“finalvalue”值为136，代表满载状态，此时系统起动时间延长，退饱和超调量减小。图8.5转速环满载高速起动波形图当=11.7，=134.48时，图7.2中“step1”中“steptime”值为1，“finalvalue”值为10，加入扰动瞬间系统曲线有波动，但迅速恢复稳定。图8.6转速环的抗扰波形图通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标。9、心得体会利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台对直流调速系统进行理论设计与调试，使得系统的性能分析过程简单且直观。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。