轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其MATLAB仿真研究

1、南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書(論文)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其MATLAB仿真研究課 程 名 稱 電機(jī)控制技術(shù)院（系、部、中心）電力工程學(xué)院設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn) 工程實(shí)踐中心9#229指 導(dǎo) 教 師 李先允南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課 程 名 稱 電機(jī)控制技術(shù) 電力工程學(xué)院 院（系、部、中心） 年 6 月 28 日 指 導(dǎo) 教 師 李先允 1課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的 電機(jī)控制技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課程，內(nèi)容包括交、直流調(diào) 速和位置控制。本課程要求學(xué)生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上,逐步培養(yǎng)運(yùn)用理論去分析解決 現(xiàn)場實(shí)際問題的能力，而不是機(jī)械地僅僅掌握理論而已。本課程設(shè)計(jì)正是為達(dá)到這一目的 而設(shè)計(jì)的

2、。 通過課程設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)學(xué)生是否掌握自動(dòng)控制的基本理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，訓(xùn)練學(xué)生 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和使用仿真軟件的能力，培養(yǎng)學(xué)生分析試驗(yàn)結(jié)果的專業(yè)素養(yǎng)。 2課程設(shè)計(jì)題目及要求 課程設(shè)計(jì)的題目：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其 MATLAB 仿真研究 課程設(shè)計(jì)的要求： 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)， 整流裝置采用三相橋式電路， 參數(shù)設(shè)置如下： 直流電動(dòng)機(jī)：Pnom=150kW;nnom=1000r/min;Inom=700A;Ra=0.05 主回路：Rd=0.08;Ld=2mH;全控橋式整流 m=6 負(fù)載及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：GD2=125kgm2 要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差； 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 i=5

3、;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n=5. 3課程設(shè)計(jì)任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、圖紙、實(shí)物樣品等要求 課程設(shè)計(jì)任務(wù)： 1 2 3 4 5 問題的提出。 理論知識(shí)的準(zhǔn)備過程。 系統(tǒng)相關(guān)模型的參數(shù)設(shè)置以及傳遞函數(shù)的表達(dá)式建立。 利用 MATLAB 軟件建立轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 仿真結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行分析。 課程設(shè)計(jì)工作量的要求： 1.編制仿真程序：重點(diǎn)在于數(shù)學(xué)模型的過程建立 2.分析仿真結(jié)果：能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析。 3.編寫設(shè)計(jì)報(bào)告： 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的過程以及實(shí)驗(yàn)過程中的步驟完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告， 并給出總結(jié)。 4主要參考文獻(xiàn) 1、陳伯時(shí)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第 2

4、版。北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2000 2、王忠禮 段慧達(dá) 高玉峰。 MATLAB 應(yīng)用技術(shù)在電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中的應(yīng)用。 北 京：清華大學(xué)出版社，2007 3、童福堯。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)習(xí)題例題集。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008 4、周淵深。交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB 仿真。北京：中國電力出版社，2003 5、史國生。交直流調(diào)速系統(tǒng)（第二版） 。 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003 5課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排 起 止 日 期 2009 年 6 月 3 日-2009 年 6 月 21 日 工 作 內(nèi) 容 (1)審題、選題，布置任務(wù)，解釋題目，查閱資料。 2009 年 6 月 15-2009 年 6

5、月 24 日 (2)系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)框圖的設(shè)計(jì) (3)系統(tǒng)計(jì)算、建模、仿真框圖、模塊設(shè)計(jì)及源程序 (4)MATLAB 仿真結(jié)果分析及結(jié)論 (5)完整的設(shè)計(jì)報(bào)告 (6)答辯 2009 年 6 月 25 日 6成績考核辦法 根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成的質(zhì)量以及答辯過程情況考核 教研室審查意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 院（系、部、中心）意見： 主管領(lǐng)導(dǎo)簽字： 年 月 日 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)及 丁立辰 南京工程學(xué)院 智能建筑電氣 其MATLAB仿真研究Nanjing Institute of TechnologyElectrical and Intelligent Building Constr

6、uction摘要：對最常用的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。然后采用Matlab/Simulink方法對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真，找出推導(dǎo)過程被忽略的細(xì)節(jié)部分對調(diào)速系統(tǒng)的影響，給出工程設(shè)計(jì)和實(shí)際系統(tǒng)之間產(chǎn)生差距的原因，有助于在實(shí)際中設(shè)計(jì)出較優(yōu)的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真MatlabAbstract: The paper presents the derive ationof engineering design methods in the speed regulation system of speed and current double closed loop i

7、n details. Then，a demo is designed and simulated by Matlab/Simulink to study the influence resulted from the details of the derivation，which has been ignored in the speed regulation system. The reason of difference between the engineeringdesign and the real conditions is given to help working out th

8、eoptimaldesigninpractice.Keywords: DC motor Speed regulation system Simulation Matlab一.問題的提出采用比例積分的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速，又限制了啟動(dòng)時(shí)的最大電流。這對一般要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本滿足了要求。但是由于電流截止負(fù)反饋限制了最大電流，加之電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢隨轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流到達(dá)最大值又迅速降下來，電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，必然影響啟動(dòng)的快速性,參看文獻(xiàn)5。對于實(shí)際生產(chǎn)中的一些經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，要求盡量縮短起制動(dòng)過程的時(shí)間。因此可以充分利

9、用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力，使啟動(dòng)電流保持在最大值，以最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，可以使轉(zhuǎn)速迅速直線上升，減少啟動(dòng)時(shí)間，為此，經(jīng)常采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和，讓電流負(fù)反饋內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，讓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速給定電壓變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電流平衡負(fù)載電流,參看文獻(xiàn)1。二.系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置1. 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，參數(shù)設(shè)置如下：直流電動(dòng)機(jī)：Pnom=150kW;nnom=1000r/min;Inom=700A;Ra=0.05主回路：Rd=0.

10、08;Ld=2mH;全控橋式整流m=6負(fù)載及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：GD2=125kgm22 .設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i=5;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n=5.三.系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立1雙閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)2.相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)（1）直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型dIddt假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為： Udo=RId+L+E.(1)如果忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為Te-TL=GD2dn375dt. .(2)額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為E=Cen.(3)Te=CmId.(4)Cm=(30/)Ce.(5)式中 TL 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)；

11、GD2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量(Nm2)； Cm 電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(Nm/A)， 定義下列時(shí)間常數(shù)：Tl 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)，Tm電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s) ， 。在零初始條件下，對（1）式，（2）式進(jìn)行拉氏變換，得1電壓與電流間的傳遞函數(shù)Id(s)Ud0(s)-E(s)=(6)Tls+1電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)則結(jié)構(gòu)框圖為：E(s)Id(s)-IdL(s)=RTms.(7)由此得到直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為：W(s)=1/CeTmTls+Tms+12.(8)（2）晶閘管的傳遞函數(shù)在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控

12、時(shí)間引起的。用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為Ud0=KsUc1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理，按泰勒公式展開，近似處理得一階慣性環(huán)節(jié)Ws(s)（3）電流環(huán)的設(shè)計(jì) I：確定相關(guān)參數(shù)Ks1+Tss.(9)整流裝置滯后的時(shí)間常數(shù)：Ts=1/2mf=1/(2*6*50)=0.0017s電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi：三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)TSi：按小時(shí)間常數(shù)近似處理Ti=Ts+Toi=0.0017=0.002=0.0037 電勢常數(shù)：Ce=(Unom-In

13、om*Ra)/nnom=(220-700*0.05)/1000=0.185V/(rmim)轉(zhuǎn)矩常數(shù)：CM=Ce/1.03=0.185/1.03=0.18kgmA電磁時(shí)間常數(shù)：Tl=Ld/Rd=2*10-3/0.08=0.025s2機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=GDRd/(375CMCe)=125*0.08/(375*0.18*0.182)=0.8s -1選取電流輸出限幅值：Ukm=10V，通過計(jì)算的晶閘管裝置放大系數(shù) ：Ks=Udo/Ukm=1.05*Unom/Ukm=1.05*220/10=23啟動(dòng)電流：Idm=1.5Inom=1.5*700=1050A選取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值：Uim=10V，可以得

14、到電流反饋系數(shù)：=Uim/Idm=10/1050=0.0095V/A選取最大給定值：Unm*=10V,可以得到轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：= Unm*/ nnom=10/1000=0.01/(rmin-1)II：選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：i=5,而且Tl/TSi=0.025/0.0037=6.7610因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)選用PI型，其傳遞函數(shù)為WACR(s)=Kitis+1tisIII：選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：ti= Tl=0.025s電流環(huán)開環(huán)增益：要求i=5時(shí)，應(yīng)取KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.11/s 于是，ACR的比例系數(shù)為Ki=KI*（ti*R

15、）/（*Ks）=135.1*0.025*0.08/(0.0095*23)=1.24（4）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)I：確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2 Ti：2 Ti =0.0074s轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton:根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton =0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tn=2Ti+TonTn=2Ti+Ton=0.0074+0.01=0.0174 sII：選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR(s)=Kntns+1tnsIII：選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗

16、擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=5*0.0174s=0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益Kn=（h+1）/(2h Tn)=6/(50*0.0174)=396.4s于是，ASR的比例系數(shù)Kn=(h+1)CeTm/(2hRTn)=(6*0.0095*0.185*0.8)/(10*0.01*0.08*0.0174)=60.6 222-2四.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型1. 根據(jù)所給的要求能夠得到此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下。圖a 轉(zhuǎn)速、電流直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型 2. 電流環(huán)的仿真模型由于電磁時(shí)間常數(shù)Tl一般都遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快

17、得多，即比反電動(dòng)勢的變化快得多。反電動(dòng)勢對電流環(huán)來說只是一個(gè)緩慢變化的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認(rèn)為E基本不變，及可以暫不考慮反電動(dòng)勢的變化。由此得到其結(jié)構(gòu)模型為圖b,圖b 電流單環(huán)控制模型 圖c轉(zhuǎn)速單環(huán)控制模型 3. 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型不考慮負(fù)載擾動(dòng)，即Idl=0A,得結(jié)構(gòu)模型為圖c4. 基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖d 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型5.通過工程設(shè)計(jì)的方法建立的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)并確定了控制器的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，也就是說得到了雙閉環(huán)的數(shù)學(xué)模型，因此可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真。參照開環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的仿真方法很容易建立雙閉環(huán)系

18、統(tǒng)的Simulink的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)模型如上所示。仿真參數(shù)選擇，ode23；開始時(shí)間Start time設(shè)為0，停止時(shí)間Stop time設(shè)為10s.參考文獻(xiàn)2五.仿真結(jié)果1.根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制模型和電流調(diào)節(jié)器控制模型，建立傳遞函數(shù)，并進(jìn)行仿真得到結(jié)果如下：圖e 圖f由圖e可知電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時(shí)間為t=0.1783s,且能達(dá)到穩(wěn)定值，由此可以說明電流調(diào)節(jié)器仿真結(jié)果正確。由圖f可知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時(shí)間為t=3.593s,且能夠達(dá)到穩(wěn)定，由此可以說明轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仿真結(jié)果正確。2.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖所示：（1）：額定負(fù)載情況下，系統(tǒng)的仿真結(jié)果；圖g（2

19、）：空載情況下，在負(fù)載擾動(dòng)和電流擾動(dòng)分別作用下該系統(tǒng)的仿真結(jié)果（電流擾動(dòng)為瞬間擾動(dòng)，電網(wǎng)擾動(dòng)為階躍擾動(dòng)）；圖h（3）：在多種情況下，系統(tǒng)仿真結(jié)果 ；圖i圖g 圖h圖i六.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析:1. 由圖形g顯示結(jié)果可知i=(1670-1600)/1600=4.45n=(1032-1000)/1000=3.25符合設(shè)計(jì)要求，因此，此次課程設(shè)計(jì)結(jié)果正確。2. 利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和特性，使系統(tǒng)保持恒定最大允許電流，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)建立轉(zhuǎn)速，在退飽和實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差特性。3.由于構(gòu)成了無靜差系統(tǒng)，在負(fù)載變化和電網(wǎng)電壓波動(dòng)等擾動(dòng)情況下，保持系統(tǒng)的恒定輸出。4.轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)可以很好的克服負(fù)載變化和電網(wǎng)電壓波動(dòng)等擾動(dòng)影響，特別是電網(wǎng)電壓擾動(dòng)點(diǎn)在電流環(huán)內(nèi)，多數(shù)情況可以在電流環(huán)內(nèi)就克服，而不會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。5.圖形g為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)滿載時(shí)的仿真結(jié)果，由圖可以看出，調(diào)節(jié)時(shí)間為3.4s,轉(zhuǎn)速超調(diào)量為3.2，電流超調(diào)量為4.4。圖形h為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)空載時(shí)的仿真結(jié)果，有圖可以看出，調(diào)節(jié)時(shí)間為2.7s，在3.5s時(shí)通過增加電流擾動(dòng)，可以看出系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)從而使轉(zhuǎn)速回到額定轉(zhuǎn)速，在4s時(shí)通過增加電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，可以看出系統(tǒng)通過電流環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用從而使得轉(zhuǎn)速?zèng)]有發(fā)生變化。圖形i的兩張圖形都是系統(tǒng)在受到不同干擾信號(hào)以及給定信號(hào)條