MATLAB_电流双闭环直流调速系统工程设计1

摘要.2概述.2设计任务及要求.32.1设计任务42.2设计要求：.4理论设计.4方案论证.53.2系统设计.53.2电流调节器设计53.2.1 电流环结构框图的化简53.2.2 确定时间常数.63.2.3 选择电流调节器结构.63.2.4 计算电流调节器参数.63.2.5 校验近似条件.63.2.6 计算调节器电阻和电容.73.3 速度调节器设计.83.3.1 确定时间常数.83.3.2 选择转速调节器结构.93.3.3 检验近似条件.10一. 计算调节器电阻和电容.10校核转速超调量.10系统建模及仿真实验.114.1 MATLAB仿真软件介绍.114.2仿真建模及实验.114.3双闭环仿真实验134.4 仿真波形分析16二. 4.4抗扰性能分析17实际系统设计及原理.185.1 实验过程.185.11 实验内容.18实验步骤.18总结与体会.18参考文献18摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。双闭环直流调速系统是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等.给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型n型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流变化率内环的三环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制作的一些情况。关键词：MATLAB；直流调速；双闭环；转速调节器；电流调节器；干扰一、概述本章主要介绍典型系统的数学模型、参数和性能指标关系，系统结构的近似处理和非典型系统的典型化，速度、电流双闭环直流调速系统工程设计方法。在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电流环，相应的要运用转速调节器和电流调节器对转速和电流进行调节。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，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。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电力电子变换器UPE从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。自动控制原理中，为了区分系统的稳态精度，按照系统中所含积分环节的个数，把系统分为0型、I型、II型系统。系统型别越高，系统的准确度越高，但相对稳定性变差。0型系统的稳态精度最低，而III型及III型以上的系统则不易稳定，实际上极少应用。因此，为了保证一定的稳态精度和相对稳定性，通常在I型和II型系统中各选一种作为典型，称为典型I型和II型系统，作为工程设计方法的基础。在此实验中，则是将电流环设计成典型I型，将转速外环设计成典型II型系统，从而实现设计的最优控制。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值ldm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。因此，只有设计成转速、电流双闭环直流调速系统则能满足这个要求。二、设计任务及要求2.1设计任务设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机参数：额定功率25KW额定电压220V,额定电流136A,额定转速1600r/m，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=40电枢电阻：Ra=0.51电枢回路总电阻：2Ra=1Q时间常数：机电时间常数Tm=0.l8s,电磁时间常数Ti=0.03s电流反馈系数：-=0.05V/A转速反馈系数：二=0.007vmin/r转速反馈滤波时间常数：Ton=0.005s,Toi=0.005s2总飞轮力矩：GD=2.5N.mh=62.2设计要求系统稳态无静差，电流超调量015%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量cnW10%。系统具有过流、过压保护。三、理论设计3.1方案论证按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环，再设计电流变化率内环）。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环，这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指括的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。双闭环直流调速系统的结构框图：图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图3、2电流调节器的设计3.2.1电流环结构框图的化简在图3.1中的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下系统的电磁时间常数T远小于机电时间常数Tm，因此，转速变化往往比电流变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即厶E0。这样，在按动态性能设计电流环是，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图3.2(a)所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是电流开环频率特性的截止频率。波两个环节都等效地转移到环内，同时把给定信号改成Ui(S)则电流环便等效成单位如果把给定滤波和反馈滤负反馈系统，如图3.2(b)所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。最后，由于Ts和Toi一般比T小得多，可以当做小惯性群而近似地看做是一个惯性环节，其时间常数为Ti=Ts+Toi则电流环结构框图最终化简成图3.2(c)简化的近似条件是图3.2(a)图3.2(b)ACRPKs/RId(s)r1S十1(T瓦s+1)(Ts+1)图3.2(c)1TonS1(a)忽略反电动势的动态影响(b)等效成单位负反馈系统(c)小惯性环节近似处理3.2.2、电流调节器结构的选择从稳态要求上来看，希望电流无静差，希望得到理想的堵转特性，由图3.2(c)可以看出，采用典I型系统就够了。由图3.2(c)表明，电流控制对象是双惯性的，要校正成典I型，显然采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成Ki(is1)Wacr(S)=-TiS3.2.3确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数Ts。按书1表1-2，三相电路的平均失控时间:Ts=0.0017s电流滤波时间常数Toi。Toi=0.005s电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取为:Ti=Ts+Toi=0.0067s3.2.4、选择电流调节器结构根据设计要求6兰5%并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为：Wacr(s)=TiS检查对电源电压的抗扰性能：T|/T刀j=0.03s/0.0067=4.48,参照表2-3的典I型系统的抗扰性能，各项指标都可以接受。3.2.5、计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数:i=Tl=0.03s。电流环开环增益：要求G-5%是按书1表2-2，应取KiT7=0.5，因此:KI=0.5/T刀i=0.5/0.0067=74.63于是，ACR的比例系统为：K=KiR/KsB=74.63X0.03X1/40X0.05=2.23/2=1.153.2.6校验近似条件电流环截至频率：K=3ci=74.63晶闸管整流装置传递函数近似的条件为:3Ts30.0017=196.1s二-ci忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为:61.24%电流环小时间常数近似处理条件为:327计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得Ro=40K门。各电容和电阻值为：心=邑、R=KiR0=1.15x40=46kRoi=RGC=ti/Ri=74.63/46=1.62Toi*R0Coi4Co=4Toi/R=4x0.005/R)=0.5uf按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为匚i=4.3%5%,转速调节器的设计类似电流调节器的设计过程，其详细过程参阅文献1的第80页到83页，以下仅给出转速环的动态结构框图的化简及传递函数。如图二(a)，即为未经化简的转速环的动态结构框图。和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成Un*(S)/G，再把时间常数为1/Ki和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T.的惯性环节，其中则转速换结构框图可简化成图二(b)所示。校正后的转速环的动态结构框图如下图二(c)所示。Kild(s)CeTmSCLTnS+1(a)(c)图3.3转速环的动态结构框图及其简化(a)用等效环节代替电流环(b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理(c)校正后成为典型n型系统3.3.1确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/Ki。取KiT了=0.5，则：1/K=1/74.63=0.0134(2)转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机波纹情况，取:Ton=0.005S。转速环小时间常数Tm。按小时间常数近似处理，取：T、.=丄+Tn=0.0134+0.005=0.0184Ki3.3.2选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为:(3-18)WASR(s)=Kn(nS+1)TnS3.3.3计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=6,则ASR的超前时间常数为:耳二方鼻二6x00184%并且求得转速环开环增益为：3鉛二心矶84”=28?，16尸则可得ASR的比例系数为:(月+1)；2刀叫.7x0.05x0,132x0,182x6x0007x1x0.0184=5.383.3.4校验近似条件.KN国1转速截止频率为：=Knn=321.120.1044s4=33.525sJ电流环传递函数简化条件为:转速环外环的小时间常数近似处理条件为:3.3.5计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取&=40。各电容和电阻值为:=0.67x40*0=22.8iQ3訂黑?曲Con=4Ton/R0=4X0.005/40X1000=0.5uf转速比例积分器结构图336校核转速超调量按ASR退饱和的情况重新计算超调量。如下：理想空载起动时z=0，当h=6时，查附表2得:max=84.0%11360.132=1030.3咕则CJn=(AC)Anbmax|乃一2叽lCb丿nCbJCe(hz)勺NT兄nTm-84.0%21.51030.30.018416000.18=6.9%:10%满足课题所给要求。