利用Matlab仿真平台设计双闭环直流调速系统

1设计任务及要求1、已知条件：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=0.132min/r,允许过载倍数5.1。闸管放大系数：Ks=40。R0.5电枢回路电阻：。时间常数：T1=0.03s，Tm=0.18s。电流反馈系数：)10V/1.5IV/A(05.0nom转速反馈系数：)n/10(r/min007.0nomVV2、技术要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量%5i；空载起动到额定转速时的转速超调量%10%n。3、设计要求：①简述单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理。②分析所设计系统的静态性能指标和动态性能指标。③根据动态性能指标设计校正装置。④设计出系统的Simulink仿真模型，验证所设计系统的性能。⑤给出所设计系统的性能指标：上升时间rt、超调量%p、调节时间st、最大启动电流dmaxI、稳态误差sse。2系统的基本结构和工作原理许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。双闭环直流调速系统较单闭环相比具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。具有单闭环不能比拟的优势。双闭环调速系统的结构示意图如下图1：图1双闭环调速系统结构示意图双闭环调速系统结构原理图如下图2：图2双闭环调速系统结构原理图3系统的静态性能和动态性能指标3.1系统的静态性能指标为了分析双闭环调速系统，必须先绘出它的稳态结构框图。如下图3：图3双闭环直流调速系统稳态结构图注意：在转速调节器饱和时，相当于开环状态，在线性段（不饱和）时，才起到稳态调节作用实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。如下图4：1、转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都是零。diiIUU*，由于ASR不饱和，**imiUU，则dmdII2、转速调节器饱和ASR输出达到限幅值*imU,转速外环呈开环状态，转速的变化对于系统不再产生影响，双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统，稳态时：dmimdIUI*，此时必须是0nn的情况。3.2系统的动态性能分析3.2.1动态数学模型系统的动态数学模型如下图5：图5双闭环调速系统动态结构图3.2.2动态性能指标分析1、典型系统的选择为了保证系统稳定性和一定的稳态精度，多采用Ⅰ型和Ⅱ型系统。又因为典型一型系统跟随性能好，故选择典型一型系统进行下一步设计。2、动态性能指标跟随性能指标：（1）上升时间rt：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值C经过的时间称为上升时间。它表示动态响应的快速性。图6动态过程图4双闭环调速系统静特性特性（2）超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。（3）调节时间st：在阶跃响应曲线的稳态值附近，取%5（或%2）的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间，定义为调节时间。4校正装置的设计设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。故设计此系统需要的是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。系统的具体结构如下图8：图8双闭环直流调速系统结构图4.1电流环的设计如上图8所示，内环画框图部分为电流环，可根据实际对电流环进行简化，结果为lmct13TT1、确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数cT三相桥式电路的平均失控时间sTs0017.0。（2）电流滤波时间常数oiT三相桥式电路每个波头的时间是ms33.3，为了基本滤平波头，应有（1~2）msToi33.3，因此取smsToi002.02。（3）电流环小时间常数iT按小时间常数近似处理，取sTTToisi0037.0。2、电流调节器结构的选择电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，从这个观点出发，应该把电流环校正成典型Ⅰ型系统。电流环的控制对象是双惯性型的。要校正成典型Ⅰ型系统，显然因该采用PI调节器。根据设计要求：%5i，而且因此可按典型Ⅰ型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为3、电流调节器参数的选择ACR超前时间常数：sTli03.0。电流环开环增益：要求%5i时，应取5.0iTKI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sKIci11.135（1）晶闸管装置传递函数近似条件：sciT31现在，cisssT11.1960017.03131满足近似条件。（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：lmciTT13现在，cilmssTT821.401*03.018.01313满足近似条件。（3）小时间常数近似处理条件：oisciTT131。现在cioisssTT81.1801*002.00017.0131131满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容电流调节器原理图入下图9：图9电流调节器原理图按所有运算放大器取40KR0，各电阻和电容值计算如下,52.4040013.1KKRKRoii取K40,75.010104003.063FFRCiii取F75.0,2.0101040002.04468FFRTCooioi取F2.0按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：%5%3.4%i，满足设计要求。4.2转速环的设计在设计转速环时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。1、确定时间常数（1）电流环等效时间常数为sTi0074.02。（2）转速滤波时间常数onT根据所用调速发电机纹波情况，取sTon01.0（3）转速环小时间常数nT按小时间常数近似处理，取sTTTonin0174.022、由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为ssKsWnnnASR1)(3、选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h,则ASR的超前时间常数为转速环开环增益于是，ASR的比例系数为4、效验近似条件转速环截止频率为（1）电流环传递函数简化条件：iTcn51现在cnssTi11.5410037.05151，满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件：oncnTTi2131现在，cnonTTi75.3801.00037.021312131满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如下图10：图10转速调节器原理图取KR400，则KKRKRnn468407.110，取K470FFRCnnn185.01010470087.063，取F2.0FFRTConon110104001.044630，取F16、校核转速超调量当5h时，%2.81%maxbCC；而min2.515min132.05.0136rrCRInednomnom，因此%10%31.818.00174.014602.5155.12%2.81n能满足设计要求。说明：○1从速度环上看，不能忽略反电势的影响。对于电流环1182.40131.135sTTslmci条件成立，可以忽略。对于速度环1182.40135.34sTTslmcn条件不成立，不可以忽略。但考虑)(sE之后，转速超调会更小，更能满足设计要求。外环一定比内环慢一般情况下1ct)150~100(s1)50~20(scn5系统的Simulink仿真模型5.1仿真模型1、计算机辅助分析结构图将上述系统的参数计算值带入系统中，并利用Matlab进行计算机辅助分析，其结构图如下图9：图11仿真图12、调节器采用抗内环绕型（相当于调节器采用内限幅）图12仿真图23、preventwindup内部结构：图13仿真图35.2系统仿真结果1、转速波形2、电流波形3、电枢电流压波形从图中可以看出，当系统起动时，系统电路的电流在很短的时间内迅速达到200A，再经过约0.3s开始迅速下降到0A，并保持稳定。4、电机转速波形系统起动后，电机转速迅速达到约1460r/min并保持稳定。5、系统性能指标综合以上波形，利用Matlab可将横纵坐标的变化可大致读出来：(1)上升时间：s363.0tr(2)调节时间：s70.0ts(3)转速最大值可达到1470rad/min，则可计算超调量6、给定与反馈波形及加扰动后电流波形下图从上到下依次为：转速给定与反馈波形、电流给定与反馈波形、加扰动后电流波形、电枢电流与给定波形、电机转速与给定波形。参考文献[1]陈伯时主编.自动控制系统工程设计方法.北京：机械工业出版社.2005[2]陆俊主编.电力电子技术.北京：机械工业出版社.2003[3]胡寿松主编.自动控制原理.北京：科学出版社.2000[4]陈伯时主编.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.2003心得体会本次课程设计查找了大量资料基础上完成。由于直流双闭环调速系统属于多换控制系统。在设计时采用由内向外，一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有笨环的调节器，构成一个完整的闭环系统。在具体设计时，先从内环（电流环）开始，根据控制电流要求，把电流环校正为典型Ⅰ型系统，按照调节对象选择调节器机器参数。设计完电流环后，就把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用同样的方法进行转速环的设计。每个环的设计都是把该环校正成典型系统，以便于获得预期的性能指标。设计完成后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。