電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)matlab仿真實(shí)驗(yàn)

1、小H電）我叢大號(hào)仿真設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期年月日轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、 精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)， 所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。按照自動(dòng)控制原理， 對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2、， 表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用 MATLAB軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用SIMULINK 進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真,同時(shí)查看仿真波形,以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。二、系統(tǒng)理論分析2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端偏差信號(hào)，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時(shí)以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào)直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到最大給定值, 電動(dòng)機(jī)以最大電

3、流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流可通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。 在轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 , 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零, 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng),速度調(diào)節(jié)器輸入端偏差信號(hào)將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù), 還能對(duì)因電網(wǎng)波動(dòng)引起的電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),可在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí),迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用， 可在

4、系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)速和電流。兩者實(shí)行嵌套連接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的 輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR-電流調(diào)節(jié)器TG-測(cè)速發(fā)電機(jī)TA-電流互感器UPE-電力電一*子變換器Un -轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui -電流給定電壓Ui -電流反饋電壓2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)分析一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動(dòng)機(jī)的過載能力，使電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)以盡

5、可能大的加速度起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這種理想的起動(dòng)過程如圖2所 示。編輯版word圖2理想啟動(dòng)過程Un*Tons£TJKi(TiS* 1)TuiS+ 1TiSTs£+ 1SCRACRAfiRToiS+1圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖編輯版word參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識(shí)， 采用機(jī)理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)描述參數(shù)：CeUn iNRanN220 136 0.214600.132VTiL 15 10R 0.50.03TmGD2R22.5 0.5”0

6、.18375ceCm375 0.132 300.132Jr30Cm Ce 1.26三、系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，一般是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的設(shè)計(jì)與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序進(jìn)行，在動(dòng)態(tài)過程中可以認(rèn)為外環(huán)對(duì)內(nèi)環(huán)幾乎無影響， 而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個(gè)組成 環(huán)節(jié)。工程設(shè)計(jì)的步驟如下：1對(duì)已知系統(tǒng)的固有特性做恰當(dāng)?shù)淖儞Q和近似處理，以簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。2根據(jù)具體情況選定預(yù)期特性，即典型I系統(tǒng)或典型R系統(tǒng)，并按照零極點(diǎn)相消的原則，確定串聯(lián)調(diào)節(jié)器的類型。3根據(jù)要求的性能指標(biāo)，確定調(diào)節(jié)器的有關(guān) P、I、D參數(shù)4校正。3.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)1、

7、電流環(huán)的簡(jiǎn)化：圖4簡(jiǎn)化后電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，ACR選PI調(diào)節(jié)器。K= (KKsB) WtR)2、確定時(shí)間常數(shù)(1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts°.017s；(2)電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33m§為了基本濾平波頭,0.0037so應(yīng)有 1 2Toi3.33ms,因此取 入 2ms 0.002s.(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)Ti o按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti Ts To3、確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i 5%,而且三 -003- 8.11 10,因此，電流環(huán)可按典型I型T i 0.0037系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4、

8、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：Wacr s Ki is5、選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：i Ti 0.03s；電流環(huán)開環(huán)增益：因?yàn)橐?% ,故應(yīng)取KiT i 0.5 ,因此Ki0.5T70.51135.1s0.0037于是，ACR的比例系數(shù)為KiKiiRKZ0.03 0.5 彳135.1 1.013。0.05 406、計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)Ri CiBidRo/2Ro/2CoiUctR0/2R0/2CoiRbal圖5電流調(diào)節(jié)器原理圖電流調(diào)節(jié)器原理如圖5所示，按所用運(yùn)算放大器，取 計(jì)算如下：R040K ,各電阻和電容值RiKiR01.013 4040.52K

9、 ,取 40K ;CiCoii0.003R40Toi4 一 4R01030.750.002401030.2 F ,取 0.2 F。3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1、轉(zhuǎn)速環(huán)的簡(jiǎn)化:圖6簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)速環(huán)2、確定時(shí)間常數(shù)：(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為20.0074s；(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton 0.01s；(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 Tn 2T i Ton 0.0174s。 3、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)：由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求， 應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函

10、數(shù)為：Wasr sKn上。nS5、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好的原則取 h=5,則ASR超前時(shí)間常數(shù):hTn 5 0.0174 0.087s;轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:Knh 1 CeTm2h RT nK h 1N2h2T 2T n6 0.05 0.1322 5 0.07 0.562 396.4 ;于是ASR的比例系數(shù)為:2 25 0.017420.1811.7。0.01746、計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 電阻和電容值計(jì)算如下：7所示,按所用運(yùn)算放大器，取 R。40 K ,各RnKnRo 11.740468KCnConnRn4 ToiR00.0874701030.1850.

11、0140R0/2103R0 CnR0/2二 Con, *UiR0/2R0/2an 1一'ConRbal圖7轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖四、系統(tǒng)仿真運(yùn)行4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)定量仿真模型4.2.3轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾編輯版word分析：可以使電流快速達(dá)到，并保持略低于的值，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，最終達(dá)到恒速。且具 有抗擾作用，使轉(zhuǎn)速維持在給定值?？蛰d能比滿載更快速啟動(dòng)。五、仿真設(shè)計(jì)總結(jié)本文通過建立直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)，根據(jù)具體指標(biāo)參 數(shù)，應(yīng)用工程方法設(shè)計(jì)了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)中選擇合適的調(diào)節(jié)器類型，給出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行了仿真和性能分析。利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink,對(duì)所設(shè)計(jì)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍信號(hào)進(jìn)行了仿真計(jì)算，很容易繪制出各單 位擾動(dòng)曲線，并計(jì)算出階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)，從階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線及其指標(biāo)得出：對(duì)擾動(dòng)信號(hào)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗擾性能。由仿真計(jì)算結(jié)果表明，利用 MATLAB的simulink對(duì)各調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)