基于Simulink仿真雙閉環(huán)系統(tǒng)綜合課程設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真驗證學(xué)院年級：工程學(xué)院08級組 長： 陳春明 學(xué)號2 08自動化1班成員一： 陳木生 學(xué)號 3 08自動化1班指導(dǎo)老師： 日 期： 2012-2-28華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，由于其靜態(tài)性能良好，動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，因而在工程設(shè)計中被廣泛地采用?，F(xiàn)在直流調(diào)速理論發(fā)展得比較成熟，但要真正設(shè)計好一個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)并應(yīng)用于工程設(shè)計卻有一定的難度。Matlab是一高性能的技術(shù)計算語言，具有強(qiáng)大的科學(xué)數(shù)據(jù)可視化能力，其中Simulink具有模塊組態(tài)簡單、性能分析直觀的優(yōu)點，方便了系統(tǒng)的動態(tài)

2、模型分析。應(yīng)用Simulink來研究雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以清楚地觀察每個時刻的響應(yīng)曲線，所以可以通過調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)來得出較為滿意的波形，即良好的性能指標(biāo)，這給分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)模型帶來很大的方便。本研究采用工程設(shè)計方法，并利用Matlab協(xié)助分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，依據(jù)自動控制系統(tǒng)快、準(zhǔn)、穩(wěn)的設(shè)計要求，重點分析系統(tǒng)的起動過程。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) 直流調(diào)速 Simulink 自動控制目 錄1、 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2 、建立直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模型2.1 小型直流調(diào)速系統(tǒng)的指標(biāo)及參數(shù)2.2 電流環(huán)設(shè)計2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計3、 直

3、流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真3.1 系統(tǒng)框圖的搭建3.2 PI控制器參數(shù)的設(shè)置3.3 仿真結(jié)果4、結(jié)論與總結(jié)5、參考資料1、 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流2種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了2個調(diào)節(jié)器，分別是電流調(diào)節(jié)器ACR(Current Regulator)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR(Speed Regulator)，兩者之間實行串級連接，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出去控制晶閘管裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)器在里面,叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外邊，叫做外環(huán)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖1所

4、示。圖 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，電流調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)之間實行串聯(lián)聯(lián)接，及以速度調(diào)節(jié)器ASR 的輸出，作為電流調(diào)節(jié)器ACR 的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出，作為晶閘管觸發(fā)器 AT 的控制電壓，從而調(diào)節(jié)晶閘管變流器的整流電壓 Ud，這樣，兩種調(diào)節(jié)作用就能互相配合，相輔相成。為了獲得良好的靜態(tài)、動態(tài)性能，兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI 調(diào)節(jié)器。圖 2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖 1 中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 的型式和參數(shù)將在設(shè)計過程中決定。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)系統(tǒng)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)。設(shè)計先從內(nèi)

5、環(huán)入手，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)等效為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。設(shè)計方法是根據(jù)對閉環(huán)工作的要求，選擇典型系統(tǒng)的類型，然后按最佳參數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計合適的調(diào)節(jié)器，最后求出調(diào)節(jié)器參數(shù)。圖 3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。由于檢測信號和轉(zhuǎn)速檢測信號中常含有交流諧波成分，在反饋端加上T型濾波器。同時為了補(bǔ)償反饋通道中的慣性作用，在給定通道中也加入時間常數(shù)相同的慣性環(huán)節(jié)。2 建立直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模型2.1 小型直流調(diào)速系統(tǒng)的指標(biāo)及參數(shù)(1)靜態(tài)精度(轉(zhuǎn)差率), 在電網(wǎng)電壓波動±10%，負(fù)載變化±20%，靜態(tài)精度 S5%，電流和

6、轉(zhuǎn)速超調(diào)量,振蕩次數(shù)N<(23)，調(diào)速范圍D1015；(2)電動機(jī)數(shù)據(jù)額定電流136A，額定電壓230V，功率30KW， 額定轉(zhuǎn)速1460轉(zhuǎn)/分，電勢轉(zhuǎn)速比 電樞電阻R=0.5,過載系數(shù)=1.5,可控硅整流裝置KS=40. ，。(3)測速發(fā)電機(jī)，永磁式，額定數(shù)據(jù)為電壓110V，電流0.045A，轉(zhuǎn)速1900r/min，（4）靜態(tài)計算：根據(jù)調(diào)速范圍和靜差率的要求得到：取測速反饋輸出電壓為10V，則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：ASR飽和輸出取12V，系統(tǒng)輸出最大電流為，則電流反饋系數(shù)： ，取0.052.2 電流環(huán)設(shè)計電流環(huán)設(shè)計主要為電流調(diào)節(jié)器的選擇及參數(shù)計算。（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)的簡化。由于電流的響應(yīng)過程比轉(zhuǎn)

7、速響應(yīng)過程快得多，因此假定在電流調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速來不及變化，從而不考慮反電動勢 E 的影響，所以反電勢的反饋支路相當(dāng)于斷開，再把反饋環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。因為和一般比小得多，可作小慣性環(huán)節(jié)處理，故取。其中簡化條件滿足擾動作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)：電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最后簡化為如下框圖：圖 4 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖（2）電流調(diào)節(jié)器的選擇。對于經(jīng)常起制動的生產(chǎn)機(jī)械，希望電流環(huán)跟隨性能好，起超調(diào)量越小越好。在這種情況下，應(yīng)該選擇典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)。如果生產(chǎn)機(jī)械工作環(huán)境的電網(wǎng)電壓波動較大，希望電流環(huán)有較強(qiáng)的抗電網(wǎng)電壓擾動能力。從這個觀點出發(fā)，電流環(huán)應(yīng)該采用典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)。另外，電流環(huán)中兩個時

8、間常數(shù)之比，也可決定選擇方案。在這里選用典型I 型系統(tǒng)進(jìn)行電流環(huán)的設(shè)計。圖3 表明電流調(diào)節(jié) ACR 的調(diào)節(jié)對象是雙慣性環(huán)節(jié)，為了把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，ACR函數(shù)必須是PI調(diào)節(jié)器形式。其傳遞函數(shù)為為了消去控制對象的大慣性時間常數(shù)的極點，選擇，則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡化為圖 5 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)其中，比較典型的二階開環(huán)傳遞函數(shù)，得，。（3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇。電流調(diào)節(jié)器參數(shù)是和?，F(xiàn)在已選定，而取決于所需的和動態(tài)性能指標(biāo)。所以三相橋式整流電路平均失控時間：，電流濾波時間常數(shù)：。電流環(huán)小時間常數(shù)：ACR時間常數(shù)：又因，取ACR的比例系數(shù)為：（4）實際電路的參數(shù)計算。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，計算模

9、擬的電子電路實際電路的電器元件的參數(shù)如下?。篟0=40K, 取40K 取 取則實際電路圖如圖6所示。其中：D1,D2,W1,W2構(gòu)成限幅電路。圖 6 電流環(huán)原理圖2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計（1）電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。在設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時，把設(shè)計好的電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對象的一部分，所以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率較低，因此電流閉環(huán)傳遞函數(shù)可降階近似處理，即由于圖5的輸入信號為，在這里考慮設(shè)計成，則電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的簡化即調(diào)節(jié)器的選擇。轉(zhuǎn)速閉環(huán)部分的簡化圖如圖7，其中圖 7 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖圖 8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖圖8 為不考慮負(fù)載 IL的擾動情況下的簡化。因為調(diào)速系

10、統(tǒng)首先需要有較好的抗擾動性能，所以采用抗擾能力強(qiáng)的典型II 型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型 II 型系統(tǒng)，ASR 應(yīng)該采用 PI 型，其傳遞函數(shù)為調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為式中，（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇。1）確定時間常數(shù)：電流環(huán)等效時間常數(shù)為0.0074s轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)為取為0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)s2）根據(jù)性能指標(biāo)選取h=5ASR的超前時間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益ASR的比例系數(shù)為：轉(zhuǎn)速截止頻率 （4）實際電路的參數(shù)計算。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，計算模擬的電子電路實際電路的電器元件的參數(shù)如下取R0=20K =KnR0=11.7×40=468, 取70K, =n/=0.087/47

11、0=0.185F, 取0.2F,Con=4Ton/R0=4×0.01/40=1F. 取1F實際原理圖如圖8所示：圖 9 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖3 直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真3.1 系統(tǒng)框圖的搭建啟動MATLAB軟件的仿真工具箱SIMULINK，新建一個模板，然后將各個需要的子模塊拖拽到新建的模板上，最后搭建系統(tǒng)如圖10所示。圖 10 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)框圖圖10所示的系統(tǒng)框圖是根據(jù)圖11的直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖來搭建的。其中，在電流環(huán)的內(nèi)部有一處接線是經(jīng)過修改的，所以，最后以圖10的系統(tǒng)框圖為標(biāo)準(zhǔn)仿真結(jié)果。圖 11直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)

12、構(gòu)圖3.2 PI控制器參數(shù)的設(shè)置在電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)部都各有一個PI控制器，其中一開始設(shè)置的參數(shù)是根據(jù)計算估算出來的，然后經(jīng)過仿真結(jié)果的調(diào)試，不斷修改這兩個控制器的參數(shù)，最后得出滿意的系統(tǒng)響應(yīng)曲線后，就把PI控制器的參數(shù)記錄下來，并以此為最后的仿真結(jié)果參數(shù)。圖10中，電流環(huán)內(nèi)的比例控制器的參數(shù)取6.013；積分控制器的參數(shù)取值如圖12所示。轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的比例控制器的參數(shù)取11.7；積分控制器的參數(shù)取值如圖13所示。圖 12 電流環(huán)的積分控制器的參數(shù)取值圖圖 13 轉(zhuǎn)速環(huán)的積分控制器的參數(shù)取值圖3.3 仿真結(jié)果整個系統(tǒng)框圖搭建完畢后，就可以開始設(shè)置仿真時間進(jìn)行系統(tǒng)的響應(yīng)曲線仿真。在這里給出仿真時間分

13、別為10 s和3 s的仿真結(jié)果圖，如圖14和圖15所示。圖 14 仿真時間10 s的結(jié)果圖圖 15 仿真時間3 s的結(jié)果圖從圖14和圖15兩幅圖中可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)時間極短，超調(diào)量也很少，完全達(dá)到了雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)控制效果。以下是仿真系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)。峰值：145.7；穩(wěn)定值：143.1；調(diào)節(jié)時間：0.06 s；上升時間：0.105 s；超調(diào)量：（145.7-143.1）/143.1=1.817% 。超調(diào)量是反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好，動態(tài)響應(yīng)越平穩(wěn)；系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間（又稱為過渡過程時間）=0.1 s，它是衡量系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的快慢，本系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程很短，系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的

14、上升時間= 0.12 s，系統(tǒng)的上升時間表征了動態(tài)相應(yīng)的快速性，系統(tǒng)的上升時間很小，說明系統(tǒng)具有很快速的動態(tài)響應(yīng)特性。另外，本系統(tǒng)還具有良好的抗負(fù)載擾動的能力。4、結(jié)論與總結(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)是傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，自世紀(jì)年代起至世紀(jì)末以前，工業(yè)上傳動所用電動機(jī)一直以直流電動機(jī)為唯一方式。它具有穩(wěn)速精度高、調(diào)速比大、響應(yīng)時間短等特點，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，故廣泛應(yīng)用于軋鋼、機(jī)床、輕工、計算機(jī)、飛機(jī)傳動機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，被科學(xué)技術(shù)水平較高的西方國家所廣泛采用，與直流調(diào)速相比，交流調(diào)速有本身固有的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及小動態(tài)相應(yīng)性能好等，還能實現(xiàn)高速拖動，而且電源廣泛

15、。但由于直流拖動系統(tǒng)在理論上和時間上都比較成熟，具有良好的起、制動性能，從反饋閉環(huán)控制的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以我們應(yīng)該很好的掌握直流拖動控制系統(tǒng)。但是直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計是一個龐大的系統(tǒng)工程，。對于一個經(jīng)過大量分析、計算、設(shè)計、安裝等一系列工作的系統(tǒng)究竟能否一次性調(diào)試成功，這關(guān)系到已經(jīng)投入的大量人力、財力、物力是否會浪費(fèi)的問題。因此，一個直流調(diào)速系統(tǒng)在正式投入運(yùn)行前，往往要進(jìn)行仿真調(diào)試?？傊绷麟妱訖C(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有快速起動，快速調(diào)速，能獲得很快的響應(yīng)速度的性能，而且能使系統(tǒng)在過渡過程中，處于最佳狀態(tài)，起動時間最短。由于雙閉環(huán)系統(tǒng)不僅能加快起動過程，還能在正常工作時提高響應(yīng)速度，所以是直流拖動控制中常用的結(jié)構(gòu)形式。對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),基于快、準(zhǔn)、穩(wěn)的系統(tǒng)設(shè)計原則，從數(shù)學(xué)建模到電流環(huán)的設(shè)計、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計，以及實現(xiàn)系統(tǒng)的串級控制，最后利用SIMULINK進(jìn)行