電力傳動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告.doc

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) -基于MATLAB的仿真實驗 組員：王勇 （201110231067）朱海 （201110231057）艾合麥提江（201110231066）王志剛 （20110231062） 學(xué)院： 物流工程學(xué)院專業(yè)： 電氣工程及其自動化班級： 電氣112班 目錄一、前言3二、課程設(shè)計的目的及內(nèi)容32.1-課程設(shè)計的目的32.2-課程設(shè)計的內(nèi)容3三、參數(shù)的選取與計算4四、MATLAB仿真64.1 開環(huán)直流系統(tǒng)的仿真64.2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真94.3電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真124.3.1基于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真134.3.2基于Power System模塊的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真15五、課程設(shè)計心得體會20一、前言在單閉環(huán)的系統(tǒng)中，由于不能隨心所欲的控制電流和轉(zhuǎn)速的動態(tài)過程，因此不適用與要求調(diào)速性能較高的場合。為了使系統(tǒng)在啟動、制動的動態(tài)過程中，在最大的電流約束下，獲得直流電動機最佳速度調(diào)節(jié)過程，就引入了轉(zhuǎn)速 、電流負(fù)反饋雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),使得在電動機起動時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)飽和, ASR不起作用 ,電流環(huán)調(diào)節(jié)器 (ACR)起主要作用 , 用以調(diào)節(jié)起動電流并使之保持最大值,使得轉(zhuǎn)速線性變化,迅速上升到給定值 ;在電動機穩(wěn)定運行時 , ASR退出飽和狀態(tài),開始起主要調(diào)節(jié)作用 , 使轉(zhuǎn)速跟隨給定信號變化 ,電流環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)電動機的電樞電流以平衡負(fù)載電流。但是 , 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件的電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,在研究和設(shè)計的過程中 ,許多參數(shù)的選擇需要反復(fù)調(diào)試 , 需要我們花費大量的時間和精力。而運用計算機仿真技術(shù)對系統(tǒng)進行仿真 , 可以方便地對參數(shù)進行設(shè)置 ,得到合理的參數(shù)組合,為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供理論依據(jù) 。鑒于上述理由 ,本文提出種面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的轉(zhuǎn)速 、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法 。使用 Matlab/Simulink中的 SimPowerSystems工具箱,用戶不需要自己編程且不需推導(dǎo)系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型, 只需要從工具箱的元件庫中復(fù)制所需的電氣元件 ,按電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行連接即可。系統(tǒng)的建模過程接近實際系統(tǒng)的搭建過程,且元件庫中的電氣元件能較全面地反映相應(yīng)實際元件的電氣特性,仿真結(jié)果的可信度很高,而且由于仿真模型是圖形化的 ,面向?qū)ο蟮?非常適合本次課程設(shè)計的研究。二、課程設(shè)計目的及內(nèi)容2.1課程設(shè)計的目的參照課本P104例3-6，以及結(jié)合給定的三道例題的參數(shù)，設(shè)計電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，使其滿足 (1) 靜態(tài)指標(biāo)：調(diào)速范圍，靜差率。(2) 動態(tài)指標(biāo)：電流和轉(zhuǎn)速的超調(diào)量均小于5%（可按10%計算），轉(zhuǎn)速上升時間小于0.5秒，動態(tài)恢復(fù)時間小于1秒，振蕩次數(shù)小于23次。2.2設(shè)計內(nèi)容 (1) 計算轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本參數(shù)（三相交流電源、直流電動機、平波電抗器等）。 (2) 按照先內(nèi)環(huán)、后外環(huán)的設(shè)計原則，設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR（工程設(shè)計法）。 (3) 在MATLAB/SIMULINK軟件平臺上構(gòu)建仿真模型，并對調(diào)速系統(tǒng)進行模擬實驗，研究參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。三、參數(shù)的選取與計算根據(jù)課本中P104頁給出的例題以及老師給定的三道例題我們可以知道：電動機額定參數(shù)為：額定電壓UN=220V, 額定電流IN=100A, 額定轉(zhuǎn)速nN=1460r/min, Ke=0.132Vmin/r, 三相橋式電路中KS=40, Ts=0.18s,電樞回路總電阻為R=0.5，電磁時間常數(shù)Tl=0.03s,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為Kn=0.007Vmin/r,轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.01s，電流反饋系數(shù)Ki=0.05V/A,電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s, GD2=22.5Nm, 勵磁電壓Uf=220V,，勵磁電流If=1.5A,平波電抗器的電感為Ld=10mH。由以上的數(shù)據(jù)我們可以推算出：為了減小整流器諧波對同步信號的影響，宜設(shè)三相交流電源電感Ls=0H，直流電動機勵磁由直流電源直接供電。觸發(fā)器（6-Pulse）的控制角（alpha_deg）由移相控制信號Uc決定，移相特性的數(shù)學(xué)表達式為在本模型中取min=30，Ucmax=10V，所以=90-6Uc。在直流電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入端TL用Step模塊設(shè)定加載時刻和加載轉(zhuǎn)矩。由公式： Ke=Un-In*RanN 得到：電機的內(nèi)阻為：Ra=Un-nN*KeIn=220-14600.132100=0.273（）所以整流器的內(nèi)阻為：Rrec=R-Ra=0.5-0.273=0.227（）。供電電源電壓為： U2=Un+RrecIn2.34cosmin=220+0.2271002.34cos30=120（V）電動機的參數(shù)有：勵磁電阻為： Rf=Uf/If=220/1.5=146.7（）,勵磁電感在恒定磁場控制時可取“0”。電樞電感有下式估算出： La=19.1CUn2p*nN*In=19.10.4220221460100=0.0029（H）電樞繞組與勵磁繞組之間的互感： KT=60Ke/2=600.132/2=1.26（s） Laf=KT/If=1.26/1.5=0.84(H)電機的轉(zhuǎn)動慣量為：J=GD2 /4g=22.5/(49.81)=0.57（kgm2）額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩： TL=KTIN=1.26100=126（Nm）電流調(diào)節(jié)器ACR參數(shù)的計算：電流環(huán)時間常數(shù)之和 T1=Ts+Toi=0.00167+0.002=0.00367（s）ACR的傳遞函數(shù)為，其中時間常數(shù)ti=Tl=0.03s,比列系數(shù)Kpi=ti*R2T1*Ks*Ki=0.030.520.0036740005=1.02積分系數(shù) Kii=Kpi/ti=1.02/0.03=34轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)的計算：電流環(huán)等效時間常數(shù) 2Ti=20.00367=0.00734s轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)之和Tn=2Ti+Ton=0.00734+0.01=0.01734sASR的傳遞函數(shù)為，其中時間常數(shù)tn=h*Tn=50.01734=0.0867s比列系數(shù)Kpn=h+1Ki*Ke*Tm2h*Kn*R*Tn=60.050.1320.18250.0070.50.01734=11.745 積分系數(shù) Kin=Kpn/tn=11.745/0.0867=135.47（選擇中頻段寬度）綜合上述的數(shù)據(jù)我們得到如下一張表格：模塊參數(shù)名參數(shù)三相電源（Three-Phase Source）Phase-to-pahse rms voltage/V120Phase angle of phase A/degrees0Frequency/Hz50Internal connectionYgSource resistance/0.001Source inductance/H0直流電動機（DC Machine）電樞電阻0.27電樞電感0.0029勵磁電阻146.7勵磁電感0電樞繞組與勵磁繞組間互感0.84轉(zhuǎn)動慣量0.57額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩N.m126平波電抗器（Inductance）電感0.01機電時間常數(shù)0.18電磁時間常數(shù)0.03UCR失控時間0.00167電流調(diào)節(jié)器（ACR）kpi =1.02 kii =34.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）kpn =11.745 kin =135.47四、MATLAB仿真4.1開環(huán)直流系統(tǒng)的仿真開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖1所示。直流電動機的電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器供電，通過改變觸發(fā)器移相控制信號調(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓，實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。圖1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖圖2 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)上述給出的參數(shù)帶入到仿真模型中，運用仿真算法odel5s，仿真時間為5.0s，直流電機空載啟動，在2.5s后加額定負(fù)載TL=126N.m，得到以下曲線：A、直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速波形：電機空載啟動，轉(zhuǎn)速在0.5秒左右?guī)缀鯙橹本€上升，之后便緩慢的增加，最終在2255r/min達到穩(wěn)定，在2.5s時加上額定負(fù)載126N.m，轉(zhuǎn)速立即下降，最后穩(wěn)定在1430r/min。B、直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出電流波形：電機空載啟動，啟動電流很大，達到350A，啟動后由于是空載所以消耗的電流小，于是電流最后降低并穩(wěn)定在0A，在2.5s時加上額定負(fù)載后電流上升最終穩(wěn)定在100A。C、勵磁電流的波形由于勵磁電壓一定，并且電機的阻抗看做只有電阻阻抗，感抗和容抗視為0，所以其勵磁電流為常數(shù)1.5A。D、電機的輸出轉(zhuǎn)矩的波形由于電機的轉(zhuǎn)矩和電機的電流成正比，所以電機輸出的轉(zhuǎn)矩波形和電機電流的波形十分相似，只是比例大小不一樣。4.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流系統(tǒng)的仿真帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖4所示，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR（放大器）、移相觸發(fā)器GT、晶閘管整流器UCR和直流電動機M和測速發(fā)電機TG等組成。圖3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖圖4轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖4所示，模型在圖2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)速給定，轉(zhuǎn)速反饋n-feed、放大器Gain和反映放大器輸出限幅的飽和特性模塊Saturation，飽和限幅模塊的輸出是移相觸發(fā)器的控制電壓，轉(zhuǎn)速反饋直接取自電動機的轉(zhuǎn)速輸出，沒有另加測速發(fā)電機，取轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。根據(jù)上述給出的參數(shù)帶入到仿真模型中，運用仿真算法odel5s，仿真時間為5.0s，直流電機空載啟動，在2.5s后加額定負(fù)載TL=126N.m，得到以下曲線：A、 輸出轉(zhuǎn)速波形：由曲線知，電機空載啟動是，電機轉(zhuǎn)速直線上升，當(dāng)達到額定轉(zhuǎn)速時便穩(wěn)定，為1460r/min，在2.5s時給電機加上額定負(fù)載，之后電機的轉(zhuǎn)速便迅速下滑、振蕩穩(wěn)定在1392r/min左右。B、輸出電流波形：波形與開環(huán)時的電機電流波形很相似，只是在加入額定負(fù)載后，電機的電流先上升，最后穩(wěn)定振蕩在100A。C、勵磁電流的波形和開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一樣。D、電機的輸出轉(zhuǎn)矩的波形由于電機的轉(zhuǎn)矩和電機的電流成正比，所以電機輸出的轉(zhuǎn)矩波形和電機電流的波形十分相似，只是比例大小不一樣。4.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖7所示，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電動機快速制動。圖5轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真可以依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（圖8a）進行，也可以用SIMULINK的Power System模塊來組建。兩種仿真的不同在于主電路，前者晶閘管和電動機用傳遞函數(shù)來表示，后者晶閘管和電動機使用Power System模塊，而控制部分則是相同的。下面對這兩種方法分別進行介紹。4.3.1 基于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6b所示，它與圖6a的不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。這是因為電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)可按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。同樣，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓信號含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。a)b)圖6 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真模型如圖7所示，仿真模型與系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的各個環(huán)節(jié)基本上是對應(yīng)的。需要指出的是，雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的工作情況，需要構(gòu)建考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，過程如下：線性PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為式中，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，時間常數(shù)。上述PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用SIMULINK中的傳遞函數(shù)或零極點模塊，而考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器模型如圖8所示。模型中比例和積分環(huán)節(jié)分為兩個通道，其中積分模塊Integrate的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊Saturation設(shè)定。圖7 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖8 帶飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器根據(jù)上述給出的參數(shù)帶入到仿真模型中，運用仿真算法odel5s，仿真時間為2s，直流電機空載啟動，在1s后加額定負(fù)載TL=126N.m，得到以下曲線：電流I和轉(zhuǎn)速N 的波形分別如下（上為電流，下為轉(zhuǎn)速）圖9轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的轉(zhuǎn)速和電流波形4.3.2基于Power System模塊的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真采用SIMULINK的Power System模塊組成的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖10所示，模型由晶閘管-直流電動機組成的主電路和轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成的控制電路兩部分構(gòu)成。其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制和電動機等環(huán)節(jié)使用Power System模型庫中的模塊。控制電路的主體是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，以及反饋濾波環(huán)節(jié)，這部分與前述基于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真相同。將這兩部分拼接起來即組成晶閘管-電動機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均直接取自電機測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，這樣減少了測速和電流檢測環(huán)節(jié)，但并不影響仿真的真實性。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出端接移相特性模塊（Shifter）的輸入端，而ACR的輸出限幅值就決定了控制角的（）和（）。圖10 基于Power System的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型應(yīng)該注意，圖10與圖7仿真模型的不同在于以晶閘管整流器和電動機模型取代了動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的晶閘管整流器和電動機傳遞函數(shù)，由于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的晶閘管整流器和電動機傳動函數(shù)是線性的，其電流可以反向，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程要快一些，而實際的晶閘管整流器不能通過反向電流，所以仿真的結(jié)果略有不同，采用晶閘管整流器和電動機模型的仿真可以更好地反映系統(tǒng)的工作情況。根據(jù)上述給出的參數(shù)帶入到仿真模型中，運用仿真算法odel5s，仿真時間為5s，直流電機空載啟動，在2.5s后加額定負(fù)載TL=126N.m，得到以下曲線：A、 電機的輸出轉(zhuǎn)速波形：電機空載啟動最終在1583轉(zhuǎn)/min穩(wěn)定，當(dāng)2.5s時加上額定負(fù)載后，電機轉(zhuǎn)速迅速下降，后又上升穩(wěn)定至1150r/min。由圖可知，其調(diào)節(jié)時間比較長，約為1.1s，不是很符合要求，于需要后面的調(diào)整。B、 電機電流的波形C、電機的勵磁電流波形與開環(huán)和單閉環(huán)的勵磁電流波形一樣，其理由見開環(huán)。D、 電機輸出轉(zhuǎn)矩的波形：改變調(diào)節(jié)器ASR、ACR參數(shù)，取，；，可見轉(zhuǎn)速、電流的仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。A、 電機的輸出轉(zhuǎn)速波形為：B、 電機的電流波形為：C、電機的勵磁電流波形：D電機的輸出轉(zhuǎn)矩的波形：在選取的參數(shù)的情況下，我們得到上面的四幅電機相關(guān)波形，根據(jù)波形我們也可以估算出電流和轉(zhuǎn)速的超調(diào)量，以及調(diào)節(jié)時間等等需要算出的參數(shù)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量：=丨（1090-1150）丨/1150100%5.2%電流超調(diào)量：=（141-133.3）/133.3100%5.8%轉(zhuǎn)速上升時間約為0.5秒，動態(tài)回復(fù)時間為0.9秒，振蕩次數(shù)為2次五、課程設(shè)計心得體會經(jīng)過一周的課程設(shè)計，我們終于在規(guī)定的時間內(nèi)完成了任務(wù)。通過MATLAB實驗仿真做出了符合調(diào)試要求的曲線。在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我們所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我們?nèi)绾稳グ盐找患虑椋绾稳プ鲆患虑?，又如何完成一件事情。在設(shè)