课程设计（论文）直流双环系统的设计及仿真分析

武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书目 录直流双环系统的设计及仿真分析21 转速、电流双闭环直流调速系统及其特性21.1 转速、电流双闭环直流调速系统设计思路21.2 转速、电流双闭环直流调速系统的组成21.3 稳态结构框图和静特性41.4 各变量的稳态工作点和稳态参数计算52 转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计52.1 转速和电流两个调节器的作用52.2 调节器的工程设计方法62.2.2 电流调节器的设计72.2.3 转速调节器的设计92.2.4 转速调节器退饱和时转速超调量的计算103 任务要求及计算113.1 和的计算113.2 电流环参数的计算113.3 转速环参数设计134 系统仿真与分析144.1系统仿真原理图144.2 转速、波形图与分析154.3 仿真结果分析160摘要许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或者电磁转矩）的动态过程。不能满足经常正、反转运行的调速系统的调速要求。所以，为了改善系统动态过程，可以再增加一个电流截止至负反馈环节来专门控制电流。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形，不能实现准时间控制。因而我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的最大允许电流，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在这种情况下，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。按照这思路 ，对直流双闭环调速系统的设计进行了理论分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些简要说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了根据题目设计要求按照工程设计方法的设计步骤以及一些调节器参数的计算。并利用MATLAB Simulink工具箱，分别对直流调速系统的电流反馈环和转速反馈环进行系统仿真，检验理论计算参数是否符合实际设计要求。并仿真过程中，根据系统响应波形和参数来调节调节器参数。关键词：直流双闭环 调节器的设计方法 MATLAB仿真1直流双环系统的设计及仿真分析1 转速、电流双闭环直流调速系统及其特性1.1 转速、电流双闭环直流调速系统设计思路采用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较高，单闭环系统就难以满足需要。在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈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，并不能很理想的控制电流的动态波形。(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1 调速系统起动过程的电流和转速波形IdLntIdOIdmIdLtIdOnIdmIdcrnn(a)(b)在起动过程中，应始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。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。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。1.2 转速、电流双闭环直流调速系统的组成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，如图1-1所示。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原理图如图1-2所示。图中标出了两个调节器输入输出的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器+-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-图1-2 双闭环直流调速系统电路原理图1.3 稳态结构框图和静特性 Ks a 1/CeU*nUcIdnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE稳态结构图，如图1-3。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。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。图1-3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图-转速反馈系数 -电流反馈系数1转速调节器不饱和稳态时，、，转速和电流反馈系数。，图2-5静特性的CA段。，CA段静特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。2转速调节器饱和ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时， 为最大电流。静特性是书图2-5中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。1.4 各变量的稳态工作点和稳态参数计算当两个调节器都不饱和时，、。转速n由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。转速反馈系数，电流反馈系数。2 转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计2.1 转速和电流两个调节器的作用1. 转速调节器的作用（1） 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2） 对负载变化起抗扰作用。（3） 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用(1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.2 调节器的工程设计方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。因为实际的直流电机调速系统比较复杂，可通过适当合理的简化处理并由低阶系统近似，再更具事先成熟的低阶典型系统的理论特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程简便，并且可以满足实际的设计要求。经过简化后的双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图所示。图2-1中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图2-1 双闭环控制系统数学模型2.2.1 调节器设计的基本思路调节器的设计过程分作两步：先选择调节器的结构，以确保系统稳定，满足所需的稳态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环。首先设计电流调节器，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。双闭环调速系统的动态结构图（图2-2），不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+Eb Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a Tons+1U*n(s)n(s)电流环E(s)图2-2 双闭环调速系统的动态结构框图2.2.2 电流调节器的设计1电流环结构图的化简转速的变化往往比电流变化慢得多，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。把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为。2 电流调节器结构的选择电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统，应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成，电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。3 电流调节器的参数计算调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，其中。希望电流超调量，可选=0.707，即。4 电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图示于图2-3。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。可以导出、图2-3 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.2.3 转速调节器的设计1 电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，它的闭环传递函数忽略高次项，可降阶近似为,近似条件。电流环在转速环中应等效为。原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。2 转速调节器结构的选择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，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统。ASR也应该采用PI调节器，转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。调速系统的开环传递函数为开环增益，。3 转速调节器的参数计算按照典型型系统参数关系，、，因此，一般以选择。4 转速调节器的实现转速调节器参数与电阻、电容值的关系为、。2.2.4 转速调节器退饱和时转速超调量的计算突加给定电压后，转速调节器很快就进入饱和状态，当转速上升到给定值时，转速偏差电压变成负值，ASR退出饱和,因此在起动过程中转速必然超调。不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作“退饱和超调”。退饱和超调量不等于典型II型系统跟随性能指标中的超调量。ASR饱和时，相当于转速环开环，电流是恒值，延续到时为止,退饱和初始条件:。考虑实际转速与给定转速的差值典型II型系统，在、稳定运行，突然将负载由减小到，转速会产生一个动态速升与恢复的过程，这样的突卸负载速升过程也就是退饱和转速超调过程。在典型II型系统抗扰性能指标中，的基准值，退饱和转速超调的基准值或。转速超调量%，其基准值应该是，经基准值换算后得外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。3 任务要求及计算初始条件：有一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWM直流调速系统，电动机参数为： ，电枢电阻，电枢回路总电阻，允许电流过载倍数，电势系数，电磁时间常数，机电时间常数，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数，调节器输入输出电压，调节器输入电阻，电力晶体管的开关频率，PWM环节的放大倍数。3.1 和的计算由可知：，由可知：3.2 电流环参数的计算1、确定时间常数:因为，所以取： 电流滤波时间常数：电流环小时间常数：2、选择电流调节器结构:根据设计要求：电流超调量，且电流环设计为典I系统，选择PI调节器，其传递函数为3、选择电流调节器参数:ACR超前时间常数： ，电流开环增益：要求电流超调量，所以应取，所以 ACR的比例系数为：4、校验近似条件:电流环截止频率:（1）晶闸管装置传递函数近似条件：，满足近似条件。（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：，满足近似条件。（3）小时间常数近似处理条件：。满足近似条件。5、调节器的电阻电容：因为，则， 近似取 ，取。取3.3 转速环参数设计1、确定时间常数:电流环等效时间常数转速滤波时间常数转速环小时间常数2、选择转速调节器结构:由于设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节;故ASR选择PI调节器，传递函数为 3、选择转速调节其参数:按跟随和抗扰性能都较好的原则， 取h=5，则ASR的超前时间常数为: 转速环开环增益:所以，ASR的比例系数为:4、校验近似条件：转速环截止频率：（1）电流环传递函数简化条件： ，满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件： ，满足条件。5、计算调节器的电阻和电容： ，可近似取 ，取 ，取6、校验转速超调量： 当h=5时，而所以，满足要求4 系统仿真与分析4.1系统仿真原理图采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。根据实验原理图和上文的参数计算结果在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入图4-1所示的线路图。首先对系统带额定负载条件下的电枢电流和电机转速进行仿真，得图4-2，后通过设置电枢电流为额定负载时电流的一半来模拟电机带一半额定负载启动，得到仿真图图4-3.图4-1 双闭环直流调速系统仿真原理图4.2 转速、波形图与分析图4-2双闭环直流调速系统额定负载时转速、电流仿真波形图图4-3双闭环直流调速系统一半负载时转速、电流仿真波形图4.3 仿真结果分析图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。1.电机转速曲线在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。2.电机电流曲线直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。总结通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的工艺，进行对象的分析，设计总体方案，确定方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。在设计完成后进行仿真，我们利用MATLAB仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件参数不相匹配的地方，反复修改，直到符合设计要求。参考文献1 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