《运动控制系统》课程设计直流双环系统的设计及仿真分析

武汉理工大学运动控制系统课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化0507 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双环系统（一）的设计及仿真分析（二） 初始条件：已知电动机参数：电动势系数电枢回路总电阻触发整流环节的放大倍数电磁时间常数机电时间常数电流与转速反馈滤波时间常数；额定转速时的给定电压调节器，饱和输出电压。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）试设计该转速、电流双闭环V-M调速系统（由三相半波相控变流装置供电），要求系统的调速范围D=10，稳态转速无差，电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量。画出系统结构框图并计算：(1) 电流反馈系数（启动电流限制在以内）和转速反馈系数；(2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取）；(3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取）；(4) 让电机空载启动到额定转速，稳定运行后电动机突加额定负载，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。时间安排：2008年12月29日上报设计选题2008年12月30日-200年1月4日确定并设计控制方案2009年1月5日-2009年1月8日按要求书写课程设计说明书2009年1月9日提交报告指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录直流双环系统的设计及仿真.11.直流双环系统设计.11.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成11.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构.21.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构.22.参数计算32.1系统参数选取及设计.32.2电流环的设计.32.3速度环的设计.43.MATLAB仿真.73.1仿真结构图.73.2仿真结果图.83.3仿真结果分析.104.心得体会.135.参考文献.1315 直流双环系统的设计及仿真分析1. 直流双环系统设计 1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 采用转速负反馈和PI调节器的单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较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。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。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。 图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构 图中，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。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图。1.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。 图1-2双闭环直流调速系统的稳态结构图 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。1.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。 图1-3双闭环直流调速系统的动态结构图2. 参数计算2.1系统参数选取及设计整流装置的滞后时间常数TS。三相半波电路的平均失控电压TS=0.0033S。电流反馈系数。转速反馈系数。2.2电流环的设计（1）确定时间常数电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。（2）根据设计要求5%，并保证稳态无误差，因此选择型电流调节器，其传递函数为检查对电源电压的抗扰性能： ，参照典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表，可知道该典型I型系统动态性能各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求5%时，由典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表可知，应取,因此于是的比例系数为（4）检验近似条件电流环节截止频率为：1) 晶闸管传递函数的近似条件满足近似条件2） 忽略反电动势对电流环动态影响的条件满足近似条件2) 电流环小时间常数处理 满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容因为，所以各电阻和电容值为：参照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%，满足设计要求所以电流环的传递函数为2.3速度环的设计（1）确定时间常数电流环等小时间常数。=2 =20.0055s=0.011S转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取=+ =0.011+0.014=0.025s（2）转速调节器结构按照设计要求，选用调节器，其传递函数为（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，取，则的超前时间常数为转速开环增益于是的比例系数为(4)检验近似条件转速截止频率为1) 电流环传递函数简化条件 满足近似条件2） 转速环小时间常数近似条件为满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容由于，所以各个电阻和电容值为：（6）校核转速超调量当时，由典型型系统阶跃输入跟随性能指标表查得，=52.6%，不能满足设计要求。实际上，由于典型型系统阶跃输入跟随性能指标表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，饱和，不符合线性系统的前提，应该按退饱和的情况重新计算超调量。由典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表查得当时，所以 能满足设计要求所以，根据上述参数，速度环传递函数为3. MATLAB仿真 3.1仿真结构图 根据上述所设计的参数，在MATLAB中的simulink环境中对系统进行仿真，总结构图如图3-1，转速环ASR如图3-2，电流环ACR如图3-3所示 图 3-1总结构图 图3-2转速环ASR 图3-3电流环ACR3.2 仿真结果图电机转速n仿真波形图3-4直流电动机负载电流Id仿真波形图3-5转速调节器输出Ui*波形 图3-6电流调节器输出电压（整流装置输入电压Uct）波形 图3-7电机电枢电压Ud0波形 图3-8 3.3 仿真结果分析3.3.1启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。图3-9 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形第阶段，突加给定电压，电流上升。由于机电时间常数Tm比电磁时间常数Tl得多，即电机机械惯性比电磁惯性大得多，所以转速仍然为0,则转速n=0，转速反馈电压Un=0，因而转速偏差电压Un = Un* - Un很大，使转速调节器WASR进入饱和状态，转速调节器输出达到限幅值Uim*。此阶段电流调节器试图按照电流设定值Ui*将电枢电流Id调节到电流最大值Idm，所以电流迅速上升，而转速的增加较小。第阶段，恒流升速阶段。经过电流调节器的调节作用，电枢电流被调节到Idm，以充分利用电动机的过载能力，使电机产生最大转矩加速。电机转速迅速上升。此阶段由于转速小于给定值，Un*大于Un，误差Un始终小于零，所以转速调节器一直处于饱和状态，其输出一直保持Uim*。电流调节器给定一直为Uim*，因此在电流环定值控制作用下，Id保持Idm，电磁转矩保持最大值，电机恒加速度升速。第阶段，转速调节阶段。上一阶段结束时，电机转速到达给定值，由于电机保持最大转矩，电机继续加速，当速度大于给定值时，Un 反号，因此转速调节器逐渐退出饱和，电流环给定值变小，这时电机电枢电流在电流调节器作用下迅速变小。在Id减小到负载电流Idl之前，电磁转矩大于负载转矩，电机加速过程变慢，但仍然处在升速过程。Id减小到Idl时，转速到达第一次峰值，随后，Id减小到Idl以下，因而电机电磁转矩小于负载转矩，转速减小。在经过一段调节过程后，转速调节器完全退饱和，发挥其控制作用维持转速恒定；而电流调节器则保持电枢电流与负载电流平衡。由以上的分析过程可以看出，在电机启动阶段，双环系统利用电机过载能力，将电枢电流调节到最大值，从而产生最大的加速电磁转矩，使系统获得极好的加速性能；而调节器的限幅作用，还使电机的电枢电流得到限制，从而防止电机过载、超过电机的过载能力而导致电机烧毁。3.3.2 负载变化扰动的调节过程从图1-3（双闭环直流调速系统的动态结构图）可以看出，负载电流Idl在电流环之外，因此其扰动作用无法被电流调节环抑制，而是依赖于转速调节环的调节作用。当负载电流Idl突然增大时，电枢电流Id小于Idl，电磁转矩小于负载转矩，电机减速。转速反馈电压Un减小而小于转速给定电压Un*，转速偏差Un变正，转速调节器减大，使得电流调节环的给定值迅速增大，在电流调节器的作用下电枢电流迅速增大到负载电流Idl以上，从而使电磁转矩大于负载转矩，电机加速。由于电流调节器的及时调节作用，电机的转速还没有减速超过给定太大，即在系统调节作用下加速。电机转速增大到给定以上时，转速调节器又降低电流调节器的给定值Ui*，使电枢电流被调节到负载电流附近。经过系统的调节作用，转速最终恢复到给定值，而电枢电流与负载电流平衡而使转速不再变化。从以上分析过程可以看出，转速环将负载电流扰动包含其中，从而有效抑制了负载电流变化对电机转速的干扰作用。4. 心得体会经过两个多星期的努力，我终于完成了这次运动控制系统的课程设计。通过这么多天的工作，我得到了很多收获，也发现了很多自己的不足之处。如果说考试是验证学习收获的手段，那么课程设计就是对学习的升华。每次做课程设计，我都从中学到了不少有用的东西，这不光有有关课程的，还有许多课外的知识。这次也不例外，我不光对直流双环系统有了更深刻的理解，同时对WORD，PROTELL等工具的运用也更加熟练。课程设计中应用了调节器的设计，尤其是型系统和型系统的设计，通过分析系统开环传递函数的动态特性参数，确定调节器的传递函数，并最终用运算放大电路实现所设计的调节器。在设计过程中系统的降阶处理也是至关重要的，通过处理，控制对象的数学模型大大简化，从而方便了后续设计的进行。回想做课设的这些天，我感觉重要的是过程而不是结果，也许我的设计有很多缺陷或者错误，但是在做的过程中我学到了很多平时的学习中无法学到的知识和思考方法。这才是课设的价值所在。老师常说考试不是目的只是手段，我觉得做完课设也不是目的只是手段。它给我们提供了一个自己学习独立思考的机会，这是其他课堂或考试都做不到的。其实我们目前的知识还是十分有限的，有很多东西或许我们现在根本就理解不了的。可这并没有关系，关键是我们认真的去思考了，并且我们在这思考过程中得到了锻炼与提高。另外，这次课设让我认识到了运动控制的复杂性以及在工业应用中的重要性。我感到仅仅是课本上的那点知识是很有限的，我只是刚刚入门，还有很多东西要去学。在这设计过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。5. 参考文献1.刘金琨，先进PID控制及其MATLAB仿真，电子工业出版社，20032.陈伯石，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，19993.赵影，电机与电力拖动，国防工业出版社，20054.苏金明，MATLAB使用教程，电子工业出版社，20005.周渊深，交直流调速系统与MATLAB仿真，中国电力出版社，2000本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日