13自（3)班-3113000905-姜鋒-實驗報告

1、課程設(shè)計課程名稱電力拖動與運動控制課程設(shè)計題目名稱直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的計算機仿真專業(yè)班級 學 號 學生姓名 指導教師13級自動化g）班3113000905姜鋒楊其宇，陳思哲2016年12月26日廣東工業(yè)大學課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真一、課程設(shè)計的內(nèi)容利用自動控制系統(tǒng)與計算機仿真等課程知識，掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)與參 數(shù)設(shè)計方法。在計算機環(huán)境下完成控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試，以及實驗，進一步鞏固和提高系 統(tǒng)觀念，掌握所學的理論知識。二、課程設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)設(shè)計一個由三相零式晶閘管裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機：c4=220v, /

2、n=100az nn=1460r/min, ce=0.122vrpm.三相橋式主回路總電阻：r=0.4 6q晶閘管裝置放大倍數(shù)：/<,=4 0電磁時間常數(shù).：g =0.03s機電時間常數(shù). tm=0.182s轉(zhuǎn)述反饋系數(shù)：at=0.007vrpm.轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：7=0.002s, 7=0.012s額定轉(zhuǎn)速是的給定電壓：t/*=15v調(diào)節(jié)器的飽和輸出電壓：10v電流反饋系數(shù)ki=0.05v/a,電流濾波時間常數(shù)7；,= 0.002s,轉(zhuǎn)動慣量 gd2=22.5n m,勵磁電壓t/=220v,勵磁電流z/-1.5a,平波電抗器的電感為ld=10mh。(1) 靜態(tài)指標：調(diào)速范圍d=10

3、0，靜差率5<1%。(2) 動態(tài)指標：電流超調(diào)量(4%-10%,每人的數(shù)據(jù)請在附表査詢)，空載起動到額定 轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量(4%-10%,每人的數(shù)據(jù)請在附表查詢)。轉(zhuǎn)速上升時間小于0.5 秒，動態(tài)恢復時間小于1秒，振蕩次數(shù)小于23次。三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1. 完成直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真實驗；2. 根據(jù)課程設(shè)計的系統(tǒng)性能指標的要求，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. 利用matlab/simulink工具軟件完成所設(shè)計系統(tǒng)的仿真實驗，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；4. 設(shè)計及仿真完成后，

4、提交課程設(shè)計報告及相關(guān)材料電子檔一份，雙面打印紙質(zhì)版一份。 提交電子檔每位同學一個文件夾，文件夾內(nèi)含實驗報告電子檔一份，以及matlab/simulink 仿真源代碼一份。文件夾命名規(guī)則：13自(x)班-學號-姓名實驗告報命名規(guī)則：13自(x)班-學號-姓名-實驗報告.doc源代碼命名規(guī)則：13自(x)班-學號-姓名-matlab.zip、課程設(shè)計進程安排序號設(shè)計各階段內(nèi)容地點起止曰期1任務(wù)布置機房12. 28-1.62資料收集機房3系統(tǒng)設(shè)計機房4仿真工具軟件的學習與系統(tǒng)仿真實驗機房5系統(tǒng)設(shè)計及仿真實驗的總結(jié)、撰寫課程設(shè)計報告機房五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1 陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)一

5、運動控制系統(tǒng)(第4版)m.北京：機械工業(yè)出版社，2011.2 王兆安，等.電力電子技術(shù)m.北京：機械工業(yè)出版社，2000.3 洪乃剛，電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的matlab仿真，北京：機械工業(yè)出版社，20064 張圣勤，matlab7.0實用教程，北京：機械工業(yè)出版社，2006.發(fā)出任務(wù)書日期：年 月 日指導教師簽名:計劃完成日期： 年 月 日1. 設(shè)計內(nèi)容及要求設(shè)計一個由三相零式晶閘管裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其基木 數(shù)據(jù)如下：直流電動機：c/n=220v, /n=100a, nn=1460r/min, ce=0.122vrpm.三相橋式主回路總電阻：r=0.4 6q 晶閘管裝置

6、放大倍數(shù)：a>4 0 電磁時間常數(shù)：ti =0.03s 機電時間常數(shù)：tm=0.182s 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a"n=0.007vrpm.轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：4=0.002s, ton=0.012s 額定轉(zhuǎn)速是的給定電壓：c/*=15v 調(diào)節(jié)器的飽和輸出電壓：10v 電流反饋系數(shù)ki=0.05v/a,電流濾波時間常數(shù)xz/=0.002s,轉(zhuǎn)動慣量 gd2=22.5n m,勵磁電壓c/=220v,勵磁電流/廣1.57,平波電抗器的電感為ld=10mho（1）靜念指標：調(diào)速范圍d=100,靜差率5<1%。（2）動態(tài)指標：電流超調(diào)量q%<（4%-10%,每人的數(shù)據(jù)請在附表齊詢

7、），空載 起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量（4%-10%,每人的數(shù)據(jù)請在附表斉 詢）。轉(zhuǎn)速上升時間小于0.5秒，動態(tài)恢復時間小于1秒，振蕩次數(shù)小于23 次。2. 參數(shù)的選取與計算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l(wèi)s=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）由移和控制信號uc決定，移和特性的數(shù)學表達式為 a = 90 _ 90 u°在本模型中取u min=30，ucmax=10v,所以（i=90-6uc。在直流電動機的 負載轉(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：un-in* rann錯誤！

8、未找到引用源。得到：電機的內(nèi)阻為:/m = 220-14,0122in100= 0.4188錯誤！未找到引用源。所以整流器的內(nèi)阻為:rrec=r-ra=0.5-0.4188=0.0812 ( q )o 供電電源電壓為：un + rrec * in 2.34 cos « min= 221v220 + 0.0821*100 _2.34cos30_電動機的參數(shù)有：勵磁電阻為：rf=uf/if=220/l .5=14 6.7 錯誤！未找到引用源。， 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：錯誤！未找到引用源。電樞繞組與勵磁繞組之間的互感：kt=60ke/2 ji =60 x

9、 0.122/2 ji =1.17 (s) laf=kt/if=l.17/1.5=0.78 (h)電機的轉(zhuǎn)動慣量為：j=gd2 /4g=22.5/ (4x 9.81)=0.57 (kg m2)額定負載轉(zhuǎn)矩：tl=ktin=1.17x100 = 117(n m)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tl=ts+toi=0.00167+0.002=0.00367 (s)acr的傳遞函數(shù)為wacr =pi + kn=st-s,其中時間常數(shù)ti=tl=0.03s,比列系數(shù)kpi=錯誤！未找到引用源。積分系數(shù) kii=kpi/ti=l. 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

10、時間常數(shù)2ti=2x0.00367=0.00734s轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)之和模塊參數(shù)名參數(shù)tn=2ti+ton=0.00734+001=001734s asr的傳遞函數(shù)為wasr(s) = pn+pikpnsrns，其中時間常數(shù)tn=h*tn=5x0-01734=0 0867s比列系數(shù)kpn=錯誤！未找到引用源(h+l)kbke*tm2h*kn«r#tn6x0,05x0.132x0.1s2x5x0.007x0,5x0.0173411.745積分系數(shù) kin=kpn/tn=ll. 745/0.0867=135.47（選擇中頻段寬度a二5）綜合上述的數(shù)據(jù)我們得到如下一張表格:三相電源(thre

11、e-phase source)phase-to-pahse rms voltage/v120phase angle of phase a/degrees0frequency/hz50internal connectionygsource resistance/ q0.001source inductance/h0直流電動機(dc machine)電樞電阻0.4188電樞電感么/h0.0029勵磁電阻/?r/q146.7勵磁電感l(wèi)f/h0電樞繞組與勵磁繞組間互感l(wèi)af / h0.78轉(zhuǎn)動慣量j/kg，m20.57額定負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩n.m117平波電抗器(inductance)電感l(wèi)d/h0.0

12、1機電吋間常數(shù)o0.18電磁時間常數(shù)7；/s0.03ucr失控時間vs0.00167電流調(diào)節(jié)器(acr)kpi = 1.02 kh =34.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(asr)kpn =11.745 kin =135.473. 系統(tǒng)仿真3.1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l供電，通過改變觸發(fā)器移相控制信號(7。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。l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

13、 間為5.0s,直流電機空載啟動，在2.5s后加額定負載tl=126n.m,得到 以下曲線：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2300r/min達到穩(wěn)定，在2.5s時加上額定負載12 6n . m，轉(zhuǎn)速立即下 降，最后穩(wěn)定在2030r/minob、直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出電流波形：500400mo電機空載啟動，啟動電流很大，達到620a,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時加上額定負載后電流上升 最終穩(wěn)定在93aoc、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

14、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。3.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流系統(tǒng)的仿真帶轉(zhuǎn)速負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 （放人器）、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4轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速負反饋有靜差直流調(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satura

15、tion，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)久=。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后加額定負載tl=126n.m,得到以下曲 線：輸出轉(zhuǎn)速波形：75pp mbs 0 rb、輸出電流波形:h 75-0p mkh 8 a，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 *罄1磨b ppiabb 番矗，由于電機的轉(zhuǎn)矩和電機的

16、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。3.3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)的電氣原理如閣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。閣5轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理閣 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。兩種仿真的不冋在于主電路， 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。3.3.1基

17、于動態(tài)結(jié)構(gòu)閣的雙閉環(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)t可按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。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?shù)呐浜希?從而帶

18、來設(shè)計上的方便。同樣，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓信號含冇換 向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用7；,，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7；的給定濾波環(huán)節(jié)。電流環(huán)h asrh</1a, 7>+l"<(*>1;|,dl.w1/rrb)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)閣的仿真模型如閣7所示，仿真模型與系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)閣的各 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

19、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s p ts式中，久為比例系數(shù)，&為積分系數(shù)，時間常數(shù)r =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)帶入到仿真模型屮，運用仿真算法odel5s,仿真時間為 2s,直流電機空載啟動，在is后加額定負載t

20、l=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)woo14007 .t廠11200l1111jwoo1-1+ k soo«oo卜-11-t t-4(x1十-,j-t,j1200-十-1.1-4-1r-4o1 : 7jjtj10.31522,533344aa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3.3.2基丁 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

21、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?？刂齐娐返闹黧w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 6tmin ( 30°)和 6zma

22、x (150°)。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)閣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)閣中的晶 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，采用品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后加額定負載tl=126n.m,得到以下曲線:電機的輸出轉(zhuǎn)速和電流波形：電機空載啟動最終在1600轉(zhuǎn)/min穩(wěn)定，當2.5s吋加上額定負載后，電機 轉(zhuǎn)速迅速下降，后又上升穩(wěn)定至1460r/min。改變調(diào)節(jié)器 asr、acr 參數(shù)，取 = 10*69,伽=110.615; kpi = 0.94 , kii = 55 ,可見轉(zhuǎn)速、電流