运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真

运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s。具体要求如下：在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60NPkW,220NUV,308NIA,1000Nnr/min,电动势系数eC=0.196V·min/r,主回路总电阻R=0.18Ω,变换器的放大倍数sK=35。电磁时间常数lT=0.012s,机电时间常数mT=0.12s,电流反馈滤波时间常数iT0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数nT0=0.015s。额定转速时的给定电压(Un*)N=10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V,Ucm=7.2V。系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i≤5%,空载起动到额定转速时的转速超调量n≤10%。试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3NI以内)和转速反馈系数α。（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR。（3）在matlab/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn。并与仿真结果进行对比分析。（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。（6）在5s突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。（一）实验参数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；•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（≈10V/1.5IN）。•转速反馈系数α=0.07Vmin/r（≈10V/nN），（二）实验设计1、设计要求设计电流调节器，要求电流超调量要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。2、计算过程（1）电流调节器1）确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取TΣi=Ts+Toi=0.0037s。2）选择电流调节器结构要求σi≤5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节器。用PI型电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能：，参看表3-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τi=Ti=0.03s。电流环开环增益：取KiTΣi=0.5，5%i1.1350037.05.05.0iITKACR的比例系数为4）校验近似条件电流环截止频率ωci=KI=135.1s-1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件校验电流环小时间常数近似处理条件（2）转速调节器1）确定时间常数电流环等效时间常数。由例题3-1，已取KITΣi=0.5，则转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。013.105.0405.003.01.135siIiKRKK1.1960017.03131sTci82.4003.018.01313lmTTci8.180002.00017.0131131oisTTcisTKiI0074.00037.0221转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取2）选择转速调节器结构选用PI调节器，3）计算转速调节器参数取h=5，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益ASR的比例系数为4）检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件满足简化条件5）计算调节器电阻和电容sTKTonIn0174.001.00074.01ssKsWnnnASR)1()(shTnn087.00174.05222224.3960174.052621sThhKnN7.110174.05.0007.05218.0132.005.062)1(nmenRThTChK115.34087.04.396sKKnNNcn7.630037.01.1353131iITKcn7.3801.01.1353131onITKcn取取470kΩ取0.2μF取1μF6）校核转速超调量当h=5时，由表3-4查得，σn%=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。（三）仿真分析对设计的双闭环系统进行仿真分析,其中电流调节器输出限幅7.37V。电流调节器输出与积分同时限幅。仿真时间10s。1、在matlab8/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型，给出仿真模型贴图。kR400kRKRnn468407.110FFRCnnn185.010185.010470087.063FFRTConon1101104001.0446302、给出空载起动过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出、电流调节器输出），指出空载起动时转速波形的区别，并给出原因。（1）不限幅：转速和电流ASR输出与积分部分输出ACR输出（2）限幅时：转速和电流ASR输出与积分部分输出ACR输出空载起动时转速波形的区别：限幅时转速超调量较小。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，则双闭环系统启动时的转速过度过剩会产生很大的超调量。3、估算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn。并与仿真结果进行对比分析。估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn：=6.09%空载起动到额定转速的时间：=0.132*0.18*1460/(1.5*136*0.5)=0.34S仿真约为0.6秒，存在较大误差4、在5s突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出、电流调节器输出），并对波形变化加以分析。转速调节器输出在5s突加40%额定负载,转速调节器输出突变，最后稳定值变大。mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)%)((2%)(%转速调节器积分部分输出在5s突加40%额定负载，转速调节器积分部分输出突变，最后稳定值变大。转速和电流在5s突加40%额定负载，转速有波动，但很快恢复原先稳定值。电流突变，稳定值增大。ACR输出在5s突加40%额定负载，ACR输出突变，稳定值增大。（四）实验小结首先我认为最让我有收获的是在设计过程中为了达到设计目的对于各项指标的分析。从选择电路元件，电路的分析和计算，调试和撰写报告，无不亲历而为。这次设计用的是matlab软件，由于matlab软件在之前的课程设计过程中都运用过，所以这次设计过程中在软件运用上没有太大的困难。而且经过前面一系列数据的分析，设计过程中只要严格控制好数据的参数范围，那么得到的实验结果就比较准确。唯一有可能出现失误的地方是由于连接线过多，连线经常会出现断链，漏连，这样就会影响实验结果，而且这类的错误也不容易发现。不过仿真实验也体现了它的好处，在真正制作电路的过程中也节省了人力和物力。总得来说，这次设计让我受益良多。