課程設計方案任務書VM雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

1、個人資料整理 僅限學習使用課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：指導教師：工作單位：自動化學院題目：V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真4初始條件：1 .技術數(shù)據(jù)及技術指標：直流電動機： Pn=3KW , Un=220V , In=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25 Q最大允許電流：Idbi=2lN, GD2=3.53N.m 2三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec = 1.3 Q平波電抗器：Rl=0. 3 a電樞回路總電阻 R=2.85 Q，總電感L=200mH ,濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他參數(shù)：Unm* = 10V ,Um*

2、=10V , Ucm = 10VOi 5% , 外 司 0%要求完成的主要任務：2 .技術要求：(1該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍D 10),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作(2系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)3 .設計內(nèi)容：(1根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖(2根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用，(3通過對調(diào)節(jié)器參數(shù)設計，得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過 MATLAB來進行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。(4繪制V-M雙閉環(huán)直流 可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖 要求計

3、算機繪圖)(5整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結(jié)，撰寫設計計算說明書時間安排：課程設計時間為一周半，共分為三個階段：(1)復習有關知識，查閱有關資料，確定設計方案。約占總時間的 20%(2)根據(jù)技術指標及技術要求，完成設計計算。約占總時間的 40%(3)完成設計和文檔整理。約占總時間的 40%指導教師簽名：年 月 日系主任 或責任教師)簽名：年 月 日目錄摘要41設計任務及要求51.1 技術數(shù)據(jù)51.2 設計要求51.3 設計內(nèi)容52雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設計63電流調(diào)節(jié)器設計93.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡93.2 電流環(huán)參數(shù)的計算 103.2.1 確定時間常數(shù)103.2.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇1

4、13.2.3 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)113.2.4 校驗近似條件123.2.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容124轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計134.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡134.2 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算 144.2.1 確定時間常數(shù)144.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)154.2.3 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)154.2.4 檢驗近似條件154.2.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容164.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量165系統(tǒng)仿真實驗175.1 MATLAB 仿真軟件介紹 175.2 雙閉環(huán)建模175.3雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真 185.3.1 雙閉環(huán)的仿真模型185.3.2 仿真參數(shù)設置185.3.3 仿真波形216總結(jié)與體會22參考文獻23

5、附錄24摘要V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng) 簡稱V-M系統(tǒng)），系 統(tǒng)通過調(diào)節(jié)器觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動出發(fā)脈沖的相位，即控制品閘 管可控整流器的輸出改變平均整流電壓 Ud,從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。本次課設為可 逆調(diào)速系統(tǒng)，用到了正反組晶閘管控制，本文主要對電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)的設計，然后在 matlab里進行仿真實驗，從而達到設計所需要的 要求。關鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速ACR ASR matlab1設計任務及要求1.1 技術數(shù)據(jù)直流電動機：Pn=3KW , Un=220V , In=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25 Q堵轉(zhuǎn)電流 Idb

6、i=2lN,截止電流 Idcr=1.5lN , GD2=3.53N.m2三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec=1. 3 Q平波電抗器：Rl=0. 3 Q電樞回路總電阻 R=2.85Q,總電感L=200mH ,濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他參數(shù)：Unm*=10V ,Uim*=10V , Ucm=10Voi 5%, on 101.2 設計要求(i該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機 可逆運行，具有較寬的調(diào)速 范圍D 10),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作(2系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)1.3 設計內(nèi)容(i根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路

7、的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖(2根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用， (3通過對調(diào)節(jié)器參數(shù)設計，得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過 MATLAB來進行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。(4繪制V-M雙閉環(huán)直流 可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖 要求計算機繪圖)(5整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結(jié)，撰寫設計計算說明書2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設計改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉(zhuǎn)向。盡管電樞反接需要較大容量的 品閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運行時 經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，電動機正轉(zhuǎn)時，由正組 品閘管裝置V

8、F供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置 VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，可以做到互不干擾，都 能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設計采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式。 雖然兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆 V-M系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行的問題， 但是兩組裝置同時工作時，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通 的短路電流，稱作環(huán)流。一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，徒然加重晶閘管 和變壓器的負擔，消耗功率，環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑 制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應該在正組處于整流狀態(tài)、Udof為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)、使 Udor為負，且幅值與Udof相

9、等，使逆變電 壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是又由于其中，L=J分別為VF和VR的觸發(fā)延遲角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓 叵是一樣的，因此，當直流平均環(huán)流為零時，應I X |如果反組的控制角用逆變角 可表示，則 L=J 按照這樣控制就可以消 除環(huán)流。系統(tǒng)設計的一般原則為：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一 個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。圖2為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，圖 3為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器 AS旺口 AC的別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者審級 連接

10、，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出 去控制電力電子變換器UPE兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓Uim 決定了電流給定電壓的最大值；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓UCm限制了電力 電子變換器的最大輸出電壓Um。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。其中主電路中申入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的 電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。R CASR-+ + U*iUiTA+圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3電流調(diào)節(jié)器設計3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)

11、結(jié)構(gòu)圖的簡化分為忽略反電動勢的動態(tài)影響、等效成單位負反饋系 統(tǒng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等環(huán)節(jié)。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù) Tl遠小于機電時間常數(shù)Tm,因此轉(zhuǎn)速 的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾 動，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即 E=0。這時，電流環(huán)如圖4所示。圖4忽略反電動勢動態(tài)影響的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s /P,則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖 5所示。*(s圖5等效成單位負反饋系統(tǒng)的電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后，由于Ts和Toi 一般都比T小得多

12、，可以當作小慣性群而近似地看作 是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為心 i = Ts + Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖6所示。*圖6電流環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)圖3.2 電流環(huán)參數(shù)的計算3.2.1 確定時間常數(shù)1整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。按表1,三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017so2電流濾波時間常數(shù)本設計初始條件已給出，即Toi=0.002s。3電流環(huán)小時間常數(shù)之和E=Ts+Toi=0.0037s整流電路形式最大失控時間 Tsmax ( ms)平均失控時間 Ts ( ms)單相半波2010單相橋式(全波)105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67表1各種整流裝置的失控時間3.

13、2.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用 I型系統(tǒng)就 夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超 調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作 用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成式中K電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);,參照典型I型系統(tǒng)1 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)檢查對電源電壓的抗擾性能： 動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的3.2.3 計算電流調(diào)節(jié)

14、器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：=T=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求 也5%寸，應取KT)=0.5,因此1 x 1于是，ACR勺比例系數(shù)為:3.2.4 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：回ci=K=135.1s-1。品閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:滿足近似條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件3.2.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖7,按所用運算放大器取R0=40k囚，各電阻和電容值為按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為6 i=4.3%,因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應等效為用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖8所

15、示。和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(s/Q,再把時間常數(shù)為1/ K和Ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來,近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中LzsJ圖8用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖9。圖9等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算4.2.1 確定時間常數(shù)1電流環(huán)等效時間常數(shù)1/Ki。由電流環(huán)參數(shù)可知KRi=0.5,則2轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01S3轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Te no按小時間常數(shù)近似處理，取4.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載

16、擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型II型系統(tǒng)，這 樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);川一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)4.2.3 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為ASR勺比例系數(shù)為4.2.4 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足近似條件2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足近似條件4.2.

17、5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖10,取R0=40km,則4.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查詢典型R型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出,不能滿足設計要求。實際上，上述表格是按照線性系統(tǒng)計算的,而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按 ASR退飽和的 情況重新計算超調(diào)量。此時超調(diào)量為：能滿足設計要求。5系統(tǒng)仿真實驗5.1 MATLAB 仿真軟件介紹MATLAB陣實驗室)是 MATrix LABoratory 的縮寫，是一款 由美國TheMathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件。MATLA%一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境

18、。除了矩陣運算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLA更可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言 包括C, C+林口 FORTRAN編寫的程序。5.2雙閉環(huán)建模(1打開模型編輯窗口：通過單擊 SIMULINK工具欄中新模型的圖標或選擇 FileNewModle菜單項實現(xiàn)。(2復制相關模塊：雙擊所需子模塊庫圖標，則可以打開它，以選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口。(3修改模塊參數(shù)：雙擊模塊圖案，則出現(xiàn)關于該圖案的對話框，通過修改 對話框內(nèi)容來設定模塊的參數(shù)。(4模塊連接：以鼠標左鍵單擊起點模塊輸出端，拖動鼠標至終點模塊輸入 端，則在兩模塊間產(chǎn)生一線。當一個信號要分送到不同模塊的多個輸入端時， 需

19、要繪制分支線，通?？砂咽髽艘频狡谕姆种Ь€的起點處，按下鼠標的右 鍵，看到光標變?yōu)槭趾?，拖動鼠標直至分支線的終點處，釋放鼠標按鈕，就 完成了分支線的繪制。個人資料整理 僅限學習使用5.3雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真5.3.1 雙閉環(huán)的仿真模型為了實現(xiàn)電動機的可逆調(diào)速，我們加入兩個給定電壓，其中一個在 2.5s后及電 動機達到穩(wěn)態(tài)時觸發(fā)，數(shù)值設定為負且為最大給定的 2倍，同理負載電流擾動 也這樣處理，最后得到如圖11所示仿真模型。圖11雙閉環(huán)的仿真模型5.3.2 仿真參數(shù)設置(1) AS隘數(shù)設置如圖12,13所示。GainElejnent-wise gain (,y = K. *u) ar matr

20、is gain (y = K*u or y = u*K).Main Signal AttributesParanet er Attribut esW.89lult iplicat ion: Elenient-wise (K. *u)Sample tine (-1 for inherit ed);-1vaj.liElement-wise gain (y = X. *u) or matrix gain (y = K*u or y = u*K) *Main Signal Attributes Parameter AttributesGain:125.17Multiplication: El&ment

21、-wise(K. *u)Sample time for inherited):圖13積分環(huán)節(jié)系數(shù)設置(2) AC諂數(shù)設置如圖14,15所示GainElement-wise fain (y = K. *u) or natriy gain (y = K*u or y = u*K).Main Signal Att ributes|er Att ribut esrsiia；2. 3585!ultiplication: Element-wise(K. *u)5ample time (-1 for inherited);-1圖14比例系數(shù)的設置 GainElement-wise gain (y = K.

22、*u) or Matrix gain (y = K*u or y = u*K)-Main Signal Attributes Parameter Attributes rain:33.69lult iplicatian: Element-wise(K. *u)sample time (-1 for inherited):-1圖15積分環(huán)節(jié)系數(shù)設置個人資料整理 僅限學習使用0口tpui: a, =t up.Pai- 3jhe exsSt ep t ime; 2.5工 ni t. i al valu白： K ii-ia.1a l ue z-Z0Sajiplc imc: 0| M | Iilyeu

23、走白 Jt p nu zun.=*l: u H m aM 1 - DIS En.ab Iz：cro- criosffiiz% del：u。弋工口n圖17 step2參數(shù)設置 滿載時電流源參數(shù)設置如圖18,19所示Sr日pOu.+ put 近 s-t ep,P a,r ajiite e rs/1 ZLnt erpr et vect or par er s sls 1-D I E2-tab 1 e e e z o cross irig de-t ecX xornIrt erp re vcct or pairer s a阡 1-D2 EximblLu Mur。c：i7Q3：ing d =4; =i gun圖19 Step3參數(shù)設置空載時只需將stepl和step3的巾nal value者B設置為0。4）其余的慣性環(huán)節(jié)根據(jù)所得到的時間常數(shù)等進行設置，具體參數(shù)圖 11已有說 明。5.3.3仿真波形3）空載時波形如圖20所示，觀察波形可發(fā)現(xiàn) ASR調(diào)節(jié)器經(jīng)過了不飽和， 飽和，退飽和三個階段，很快達到穩(wěn)定與給定轉(zhuǎn)速，在 2.5S后轉(zhuǎn)速很 快下降并最終穩(wěn)定在-1500r/min,電流最終穩(wěn)定在0A。圖20空載時轉(zhuǎn)速及電流波形個人資料整理 僅限學