雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計及變負載擾動轉速環(huán)突然斷線matlab仿真

1、武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書學 號： 課 程 設 計題 目雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計及變負載擾動轉速環(huán)突然斷線matlab仿真學 院專 業(yè)班 級姓 名指導教師2016年12月日摘要電流轉速雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是靜動態(tài)性能優(yōu)良的直流調速系統(tǒng)，對于調速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉速。它的跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應描述，設計時一般遵循時間最優(yōu)的理想過渡過程設計。電流轉速雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點和設計方法是各種交直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。掌握雙閉環(huán)調速系統(tǒng)對于運動控制系統(tǒng)的學習起重要的作用。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，時間參數小，可以快速的跟蹤給定電流，被稱作電流內環(huán)；轉速環(huán)在

2、外面，時間參數大，但是能夠跟蹤給定電壓，從而調整轉速，被稱作轉速外環(huán)；這樣構成了電流轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)。選擇合理的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的結構和參數能使系統(tǒng)更好地達到生產工藝所要求的性能指標。本次課程設計的目的就是利用MATLAB進行雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計、仿真和計算分析。通過變負載擾動，和轉速環(huán)斷線的仿真來檢驗系統(tǒng)的動態(tài)性能和可能出現(xiàn)的情況，從理論和仿真進一步了解雙閉環(huán)系統(tǒng)。關鍵詞：雙閉環(huán)調速，變負載擾動，轉速環(huán)突然斷線，MATLAB仿真目錄1.設計任務分析11.1初始條件11.2主要任務12.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖23.電流調節(jié)器的設計33.1確定時間常數33.2選擇電流調節(jié)器結構33

3、.3計算電流調節(jié)器參數33.4校驗近似條件44.轉速調節(jié)器的設計54.1確定時間常數54.2選擇轉速調節(jié)器結構54.3計算轉速調節(jié)器參數54.4校驗近似條件64.5校核轉速超調量65.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真76.仿真結果及分析9收獲體會11參考文獻12本科生課程設計成績評定表13雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計及變負載擾動轉速環(huán)突然斷線matlab仿真1.設計任務分析1.1初始條件不可逆的生產設備，采用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相半波整流電路，系統(tǒng)的基本數據如下：直流電機：Unom=220V，Inom=305A，nnom=1000r/m，Ce=0.196Vmin/r，允許過載倍數=1.5；時間常數：

4、TL=0.012S ，Tm=0.12；晶閘管裝置放大倍數：Ks=35 主電路總電阻：R=0.18；額定轉速時的給定電壓Un*=10V，調節(jié)器ASR飽和輸出電壓8V。設計要求如下：穩(wěn)態(tài)指標：穩(wěn)態(tài)無靜差，D=10。動態(tài)指標：電流超調量i5%，空載啟動到額定轉速時的轉速超調量n15%。1.2主要任務調速系統(tǒng)設計的任務是合理的選擇調節(jié)器的結構和參數，使系統(tǒng)的性能指標滿足生產工藝的要求，穩(wěn)態(tài)參數的計算是調速系統(tǒng)設計的第一步，他決定了控制系統(tǒng)的基本組成，然后在通過動態(tài)設計使系統(tǒng)性能滿足要求。經過分析可以將本次設計分解為以下幾個部分，參數的選取和計算，電流調節(jié)器的設計，轉速調節(jié)器的設計、MATLAB仿真并進

5、行結果分析。2.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2-1所示，兩個調節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調節(jié)器。轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調節(jié)器的作用。當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器突出飽和。換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時為零。圖2-1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

6、的動態(tài)結構圖如圖2-2所示，圖中ASR和ACR分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數，為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。調節(jié)器后面的低通濾波環(huán)節(jié)可以抑制各種擾動量對系統(tǒng)的影響。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數可用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)來表示。圖2-2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖3.電流調節(jié)器的設計電流環(huán)的動態(tài)結構圖如圖3-1所示。圖3-1電流環(huán)的動態(tài)結構圖3.1確定時間常數整流裝置采用三相半波整流電路，其平均失控時間Ts=0.0033s；三相半波電路每個波頭的時間是6.67ms，為了基本濾平波頭，應有Toi=2.5ms，電流環(huán)小時間常數之和。3.2選擇電流調節(jié)器結構根據設計要求

7、i5%，并保證電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數為3.3計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數：。電流反饋系數：電流開環(huán)增益：要求時，查表得，應取，因此于是，ACR的比例系數：3.4校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。2)校驗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。3)校驗電流環(huán)小時間常數近似處理條件滿足近似條件。4.轉速調節(jié)器的設計轉速環(huán)的動態(tài)結構圖如圖4-1所示。圖4-1轉速環(huán)的動態(tài)結構圖4.1確定時間常數電流環(huán)等效時間常數1/KI。已取，則根據測速發(fā)電機的

8、波紋情況，取轉速濾波時間常數。轉速環(huán)小時間常數按小時間常數近似處理，取4.2選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為4.3計算轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗干擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為轉速開環(huán)增益為于是，可求得ASR的比例系數為4.4校驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為1)電流環(huán)傳遞函數簡化條件滿足簡化條件。2) 轉速環(huán)小時間常數近似處理條件滿足近似條件。4.5校核轉速超調量當h=5時，查表得，不能滿足設計要求。實際上，由于表是按線性系統(tǒng)分析的，突然加階躍給定時，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量。設理想空載起動時z=0,

9、根據已知數據和求的的數據有：，。當h=5時，查表可得，且有能滿足設計要求。5.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真模型如圖5-1所示。圖5-1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真模型雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真模型對應的代碼如下：a=0.01b=0.0175Ton=0.01Ki=0.304Ti=0.012Toi=0.0025Kn=6.35Tn=0.108Ks=35Ts=0.00333R=0.18Tl=0.012Tm=0.12Ce=0.196inom=305nnom=1000sim('double_closed_loops_speed_regulation_system.mdl',6)figure(

10、'Name','起動轉速與起動電流的波形')plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values,'LineWidth',4)figure('Name','ASR輸出電壓的波形')plot(ScopeData1.time,ScopeData1.signals.values,'LineWidth',4)figure('Name','ACR輸出電壓的波形')plot(ScopeData2.time,ScopeData2.signals.

11、values,'LineWidth',4)figure('Name','直流電壓Ud的波形')plot(ScopeData3.time,ScopeData3.signals.values,'LineWidth',4)仿真開始后，3s時轉速環(huán)斷線。仿真截止時間是6s。6.仿真結果及分析起動轉速與起動電流波形如圖6-1所示，直流電壓Ud波形圖如圖6-2所示，ASR輸出電壓波形如圖6-3所示，ACR輸出電壓波形如圖6-4所示。圖6-1起動轉速與起動電流波形圖圖6-2直流電壓Ud波形圖圖6-3ASR輸出電壓波形圖圖6-3ACR輸出電壓波形

12、圖起動階段分為電流上升階段，恒流升速階段，轉速調節(jié)階段（其中包括轉速超調），轉速超調量符合設計要求，由于采用的PI調節(jié)器，故轉速調節(jié)范圍D符合條件。中間一段轉速保持相對不變時，達到了系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定n=1000r/min，此時，ACR的輸出為7.5V。在3s時，使轉速環(huán)突然斷線，則此時的ASR馬上就會飽和，則電流環(huán)的給定電壓就會達到最大，電流環(huán)調節(jié)很快，出現(xiàn)了一個很小的峰值，隨后減小至375A左右，小于允許最大值478A。ACR的輸出會達到另一個新的穩(wěn)態(tài)值10.7V左右，比之前穩(wěn)態(tài)的值要相對大一些。轉速達到一個新的穩(wěn)態(tài)值n=1500r/min。15收獲體會本次運動控制系統(tǒng)課程設計過程中，進一步培

13、養(yǎng)了獨立查閱資料、完成一個基本系統(tǒng)結構的設計與仿真的能力，也進一步地熟悉了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理以及simulink的仿真設計過程。通過本次課程設計，我明白了理論與實際相結合的重要性。空有理論知識不足以解決實際問題，只有把所學的理論知識與實踐相結合，才能真正提高學生的實際操作，發(fā)現(xiàn)問題與獨立思考的能力。上課學習到的東西，如果不經實踐檢驗，會難以發(fā)現(xiàn)容易出錯的地方，最后只會一知半解。在本次課程設計過程中，通過計算，仿真等一系列步驟，我對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理有了一定程度的理解，也發(fā)現(xiàn)了一些新的需要解決的問題。在本次課程設計的過程中，我遇到的問題，如下：在進行simulink仿真時，對matlab本身

14、，simulink內的元器件及它們的使用方法不甚了解。通過翻閱專業(yè)資料，上網查找相關文獻的方式，我熟悉了如何使用這些工具。同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處在于對以前所學過的知識理解得不夠深刻，或者掌握得不夠牢固，故在做課設的過程之中需要一直對照教材，因此強化了對課本的理解。課程設計訓練的是學生的邏輯分析能力，讓學生思考如何使方案趨于規(guī)范嚴密。我從中認識到，只有注意到每一個細節(jié)，要達到的目標才能完美實現(xiàn)，因此對未來學習工作有指導意義。參考文獻1阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.北京：機械工業(yè)出版社，2009.8：9-89.2王再英，劉淮霞.過程控制系統(tǒng)與儀表M.北京：機械工業(yè)出版社，2006.1：208-216.3李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎M.北京：清華大學出版社，2005.8：26-90.4王兆安，劉進軍.電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社