雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的設(shè)計及其仿真

1、課程設(shè)計說明書 NO.14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及其仿真 班 級：自動化 學(xué) 號： 姓 名： 目 錄1前言 31.1課題研究的意義31.2課題研究的背景32總體設(shè)計方案32.1 MATLAB 仿真軟件介紹32.2設(shè)計目標42.3系統(tǒng)理論設(shè)計 52.4仿真實驗 92.5仿真結(jié)果103結(jié)論124參考文獻 131 前言1.1 課題研究的意義現(xiàn)代運動控制技術(shù)以各類電動機為控制對象，以計算機和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強電的紐帶，以自動控制理論和信息處理理論為基礎(chǔ)，以計算機數(shù)字仿真和計算機輔助設(shè)計為研究和開發(fā)的工具。直調(diào)調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言

2、，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。且直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以加深直流電機控制原理理解有很重要的意義1。1.2課題研究的背景電力電子技術(shù)是電機控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器,電力電機技術(shù)的迅猛發(fā)展,促使了電機控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從20世紀60年代第一代電力電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二

3、代有自關(guān)斷能力的電力電子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復(fù)合場控器件 - IGBT、MCT等,如今正蓬勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓, 多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進,性能有了飛速提高,在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們在互相 競爭,新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。同時電機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化2。2 總體設(shè)計方案2.1MATLAB 仿真軟件介紹本設(shè)計所采用的仿真軟件是MATLAB。MATLAB是美國MathWorks

4、公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB應(yīng)用非常之廣泛！MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。主要的優(yōu)勢特點為： 高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運算分析中解脫出來；具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達式的

5、自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握； 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。2.2設(shè)計目標設(shè)計一個雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調(diào)速范圍D=10，要求:靜差率5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量i5%，電流脈動系數(shù)si10%；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量n10%1 3。直流電動機數(shù)據(jù)：額定功率：29.92KW，額定電壓：220V，額定電流：136A，額定轉(zhuǎn)速： 1460r/m，Ce=0.132V·min/r 允許過載倍數(shù)：=1.5晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40電樞回路總電阻： R=1時間常數(shù)：機電時間

6、常數(shù)：Tm=0.18s電磁時間常數(shù): Tl=0.03s電流反饋系數(shù)：=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007V·min/r 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：Ton=0.005s，Toi=0.005s h=52.3系統(tǒng)理論設(shè)計：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，達到本課程設(shè)計的要求。圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(1)確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：三相電路的平均失控時間Ts=0.0017s 電流濾波時間常數(shù)Toi

7、：Toi=0.002s 電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti：按小時間常數(shù)近似處理，取為：Ti=Ts+Toi=0.0037s (2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：WACRs=Ki(is+1)is 檢查對電源電壓的抗擾性能：TlTi0.030.00378.11 符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標都是可以接受的。(3)計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.03s 電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，按表1，應(yīng)取KITi=0.5，因此：KI=0.5Ti=0.50

8、.0037s-1135.1s-1 于是，ACR的比例系統(tǒng)為： Ki=KIiRKs=135.1×0.03×0.540×0.51.013 (4)檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率： ci=KI=135.1s-1 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： 13Ts=13×0.0017s-1196.1s-1> ci 滿足近似條件校驗忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為：31TmTl=3×10.18×0.03s-140.82s-1<ci 滿足近似條件校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：131TsToi=13×10.0017&#

9、215;0.002s-1180.8s-1>ci 滿足近似條件(5)計算調(diào)節(jié)器電阻電容按所用的運算放大器取得R0=40K各電容和電阻值為：Ri=KiR0=1.013×40K=40.52K 取40K Ci =iRi=0.0340×103F=0.75F 取0.75FCoi =4ToiR0=4×0.00240×103F=0.2F 取0.2F 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為：i=4.3%5%（見表1） 滿足設(shè)計要求。2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計（1） 確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)1KI。取KITi=0.5，則： 1KI=2Ti=2×

10、0.0037s=0.0074s 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，取：Ton=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，?。篢n=1K1+Ton=0.0074+0.01=0.0174s（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： WACRs=Kn(ns+1)ns （3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：n=hTn=5×0.0174s=0.087s 并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：KN=h+12h2Tn2=62×52×0.01742s-2396.4s-2 則可得AS

11、R的比例系數(shù)為：Kn=(h+1)CeTm2hRTn=6×0.05×0.132×0.182×5×0.007×0.5×0.017411.7 （4）校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為：cn=KN1=KNn=396.4×0.087s-1=34.5s-1 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為： 13KITi=13×135.10.0037s-163.7s-1>cn 滿足簡化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為： 13KITon=13×135.10.01s-138.7s-1>cn 滿足簡化條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容

12、按所用的運算放大器取R0=40K。則：各電容和電阻值為：Rn=KnR0=11.7×40K=468K 取470K Cn =nRn=0.087470×103F=0.185F 取0.2FCon =4TonR0=4×0.0140×103F=1F 取1F （6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，由書表3-4可以查得：n=37.6%，這并不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。ASR退飽和計算如下：n=CmaxCbnbn*=2CmaxCb(-z)nNn*

13、TnTm （3-1）當h=5時，由書表3-5可以查得CmaxCb=81.2%,代入式（3-1）得n=2×81.2%×1.5×136×0.50.1321460×0.01740.188.31%<10%滿足設(shè)計要求。表1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度76.376.3°69.9

14、6;65.5°59.2°51.8°截至頻率 0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.789/T2.4仿真實驗為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，如圖2所示。圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)

15、速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，如圖2所示。用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如圖3所示：圖3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖2.5仿真結(jié)果圖4電流環(huán)無超調(diào)的仿真結(jié)果圖4是以KT=0.25的關(guān)系式按典型I型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到了PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.5067+16.89s，很快的得到了如圖四所示的仿真結(jié)果，無超調(diào)，但上升時間長。圖5 電流環(huán)超調(diào)量較大的仿真結(jié)果圖5是以KT=1.0的關(guān)系式按典型I型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到了PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2.027+67.567s，很快的得到了如圖四所示的仿真結(jié)果，超調(diào)大，但上升時間短。圖6 高速啟動波形圖圖6中實線表示電流，虛線表

16、示轉(zhuǎn)速，是以轉(zhuǎn)速環(huán)的傳遞函數(shù)為11.7+134.48s，以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為2.027+67.567s得到的仿真結(jié)果圖，啟動時間長，退飽和超調(diào)量減少。觀察圖4和圖5可知，在直流電動機的橫流升速階段，電流值低于額定值，其原因電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動機反電動勢的擾動。3 結(jié)論通過對雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真波形的分析，可知其起動過程可分三個階段來：第階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升

17、到給定值 n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達到最大值后，轉(zhuǎn)速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和

18、ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用4。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為： 1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的