转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真-(终极版)

1本科课程设计题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真姓名王金良学院专业电气工程及其自动化年级学号指导教师2013年1月11日2转速、电流反馈控制直流调速系统仿真摘要转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运行的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统里设置两个调节器，组成串级控制。本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink对系统进行仿真。关键词：双闭环调速、转速、电流、Simulink一、设计的题目及任务（一）概述本次仿真设计需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。（二）仿真题目某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220VU,额定电流136IA；额定转速n1460rpm,0.132min/eVrC，允许过载倍数1.5；晶闸管装置放大系数40sK；电枢回路总电阻0.5R；时间常数0.03,0.18lmssTT；电流反馈系数0.05/VA；转速反馈系数α=0.00666Vmin/r。3（三）要完成的任务1）用MATLAB建立电流环仿真模型；2）分析电流环不同参数下的仿真曲线；3）用MATLAB建立转速环仿真模型；4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线。二、双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。双闭环调速系统的结构图如：图1转速、电流双闭环直流调速系统结构图4三、MATLAB计算、建立及仿真一）、设计思路设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。1、从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统。2、再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。3、电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。二）、电流调节器（内环）的设计matlab的电流环的整体仿真模型如图所示：（一）电流环各个模块的参数设置已知题目：双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路的参数如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；5电枢回路总电阻：R=0.5Ω；时间常数：Ti=0.03s，Tm=0.18s；电流反馈系数：β=0.05V/A；转速反馈系数：α=0.07V·min/r。1、确定时间常数1）整流装置滞后的时间Ts。按表1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）来设置，表1如下所示：表1由表可知三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.00167s。2）电流滤波时间常数Toi。由上表知道Tsmax=3.33，为了基本滤平波头，应有(1~2)Toi=3.33ms,因此我们取Toi=2ms=0.002s.3）电流环小时间常数之和TΣi。按小时间常数近似处理，取TΣi=Ts+Toi=0.00367s。2、各模块的设置（除ACR模块）将各模块的参数输入图1的电流环各模块中即可得到图2所示的仿真模型；3、ACR参数设置ACR的传递函数式为：即：=Ki+Kp/s61）电流调节器超前时间常数为：τi=Tl=0.03s。2）电流环开环增益Ki：Ki=KT/TΣi=KT/0.00367其中参数关系KT按表2如下所示：表23)KT=0.5时PI传函W=Ki+Kp/s=0.5/0.00367+（0.5/0.00367）/0.03s=1.0134+33.78/s同理：KT=0.25时PI传函W=Ki+Kp/s=0.5067+16.89/sKT=1时PI传函W=Ki+Kp/s=2.027+67.567/s4、在Simulink模型窗口工具栏里的Simulation——ConfigurationParameters菜单项可以更改Starttime和Stoptime的值按需要分别设为0.0s和0.05s或0.1s。（二）电流环的仿真图形7KT=0.5时，ACR中的PI调节器的传递函数为=1.0134+33.78/s，按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图6所示：其超调量满足σ≦4.3%。三）、转速调节器（外环）的设计matlab的转速环的整体仿真模型如图所示：sWACR8（一）转速环各个模块的参数设置由电流环的仿真知电流环的参数取KT=0.5时超调量满足综合条件，电流环模块的值保持不变。1、确定时间常数1）电流环的等效时间常数1/Ki。由上面可知取KiTΣi=0.5，则1/Ki=2TΣi=0.0074s2）转速滤波时间常数Ton=0.01s；3）转速环小时间常数TΣn=1/Ki+Ton=0.0174s；2、除去电流环各模块按图10所示编号设置如下：（1）将①框的阶跃输入将Steptime设为0，Initialvalue设为0，Finalvalue设为10；（2）②框对应结构图中的ASR模块，由例题3-2得到的结果，其传递函数设置为即Gain3设置为11.7，Gain4设置为134.48；（3）③框的Saturation将其上界（upper）和下界（lower）分别设置为10和-10；s48.1347.11WASR9sIdLsIdL（4）④框的函数式为α/(Tons+1)=0.00666/(0.01s+1)；（5）⑥框的函数式1/Ce=1/0.132=7.576；（6）⑤框的阶跃信号按要求输入：将Steptime设为0，Initialvalue设为0；空载（负载电流为0）时，阶跃信号Step1的Finalvalue设为0；满载（负载电流为136）时，阶跃信号Step1的Finalvalue设为136（电动机的额定电流为136A）；做干扰测试时，将Steptime设为1，Initialvalue设为0，Finalvalue设为100。(二)转速环的系统仿真1、空载起动时,阶跃信号Step1的Finalvalue输入设为0,仿真波形如图所示：2、满载起动时，阶跃信号Step1的Finalvalue设为136,仿真波形如图所示：103、抗干扰性的测试，将阶跃信号Step1的Steptime设置为1，将Initialvalue设置为0，将Finalvalue设置为100（或其他1到136均可做干扰），其他设置不变，仿真如图所示：四、小结与体会这次课程设计中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。11本次课程设计让我们对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解，对此设计加深了认识。通过matlab的仿真，使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。参考文献[1]阮毅.《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》.北京：机械工业出版社，2009