調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及變負(fù)載擾動(dòng)下轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線matlab仿真

1、武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄摘要11 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求21.1設(shè)計(jì)任務(wù)21.2設(shè)計(jì)要求21.3任務(wù)分析22 .雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)33 參數(shù)計(jì)算43.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)43.1.1 確定時(shí)間常數(shù)43.1.2 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)43.1.3 電流環(huán)校驗(yàn)近似條件53.1.4計(jì)算ACR調(diào)節(jié)器的電阻和電容63.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)63.2.1 確定時(shí)間常數(shù)63.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)校驗(yàn)近似條件73.2.3 計(jì)算ASR調(diào)節(jié)器的電阻和電容73.2.4 校驗(yàn)ASR調(diào)節(jié)器的超調(diào)量84系統(tǒng)仿真與分析84.1仿真結(jié)果及波形84.1.1無(wú)ACR限幅值104.1.2有ACR限幅值114.2仿真結(jié)果分

2、析125小結(jié)與體會(huì)13參考文獻(xiàn)14調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及變負(fù)載擾動(dòng)下轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線matlab仿真摘要電流、轉(zhuǎn)速反饋控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是靜動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素，而電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。本次課程設(shè)計(jì)就是基于雙閉環(huán)系統(tǒng)研究變負(fù)載擾動(dòng)下轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線的情況及其matlab仿真。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，matlab，轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)，突然斷線1 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 不可逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相橋式整流電路，系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：Unom=22

3、0V，Inom=136A，nnom=1460r/min，Ce=0.132V min/r，允許過(guò)載倍數(shù)；時(shí)間常數(shù)：TL=0.03s，Tm=0.18s；晶閘管放大倍數(shù)：Ks=40；電樞回路總電阻：R=0.5；電流反饋系數(shù)：=0.049V/A(10V/1.5Inom);轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.00685V min/r（10V/nnom）。1.2設(shè)計(jì)要求（1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：在負(fù)載和電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。（2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。（3）系統(tǒng)參數(shù)的選取，包括給定環(huán)節(jié)及反饋環(huán)節(jié)的濾波時(shí)間常數(shù)。（4）電流環(huán)的設(shè)計(jì)，包括電流環(huán)固有部分傳函、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)、校驗(yàn)近似條件

4、。（5）速度環(huán)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)環(huán)結(jié)構(gòu)圖、速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)、校驗(yàn)近似條件。（6）書(shū)寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)，包括系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，確定的參數(shù)，即設(shè)計(jì)步驟。1.3任務(wù)分析根據(jù)所給條件以及指標(biāo)要求，確定系統(tǒng)為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，為典I結(jié)構(gòu)。因?yàn)橄到y(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均選用PI結(jié)構(gòu)；因?yàn)殡娏鞒{(diào)量i5%,，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。系統(tǒng)跟隨性能較好，所以調(diào)節(jié)器選用典I系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2 .雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)參數(shù)的選取，給定環(huán)節(jié)和反饋

5、環(huán)節(jié)的濾波時(shí)間常數(shù)的選擇；然后是電流環(huán)和速度環(huán)的設(shè)計(jì)，通過(guò)選擇結(jié)構(gòu)和參數(shù)，進(jìn)行校驗(yàn)是否滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，并校驗(yàn)近似條件是否滿足；最后是對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的仿真，仿真分為兩個(gè)階段，變負(fù)載的擾動(dòng)下的啟動(dòng)，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速環(huán)斷線。為了同時(shí)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能，提出了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR與電流調(diào)節(jié)器ACR串級(jí)聯(lián)接的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路（正常的系統(tǒng)中）。其原理圖如圖2所示：圖2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖由于電流檢測(cè)信號(hào)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。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電

6、流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Ton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濾波時(shí)間常數(shù)為T(mén)on的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3 參數(shù)計(jì)算3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)要是系統(tǒng)無(wú)靜差，所以使用PI調(diào)節(jié)器矯正為典型I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：WACRs=Ki(is+1)is （3

7、-1）3.1.1 確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)TS：在該系統(tǒng)中整流裝置采用三相橋式全控整流電路。查表可知，三相橋式電路的平均時(shí)空時(shí)間，從而可知整流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)TS=0.0017S。（2）整流濾波時(shí)間常數(shù)Toi：三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有12Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。3.1.2 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)要是系統(tǒng)無(wú)靜差，所以使用PI調(diào)節(jié)器矯正為典型I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：WACRs=Ki(is+1)is （3-2）電流調(diào)節(jié)器超前

8、時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.03s。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求i5%時(shí)，取KITi=0.25，因此KI=0.250.0037= 67.57 （3-3）于是，ACR的比例系數(shù)為KiKIiRKS67.57×0.03×0.540×0.050.507 （3-4）電流環(huán)限幅值為：Uct=UdmKS=CenN+IdmRKS=7.368 （3-5）3.1.3 電流環(huán)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率為：wci=KI=67.57s-1（1）校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件13TS=13*0.0017s-1=196.1s-1>wci 滿足近似條件；（2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件

9、< 滿足近似條件；（3）校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 > 滿足近似條件；3.1.4計(jì)算ACR調(diào)節(jié)器的電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的PI型調(diào)節(jié)器，如圖2所示。圖2 含給定濾波和反饋濾波的PI型調(diào)節(jié)器按所選放大器取，各電阻和電容計(jì)算如下：Ri=KiR0=0.507×50=25.35k,取Ri=25k （3-7） （3-8）按上述參數(shù)，電流環(huán)設(shè)計(jì)可以滿足要求。3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.2.1 確定時(shí)間常數(shù)（1）電流等效時(shí)間常數(shù)：，。（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)： （3-9）（4）取h=5，ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：，ASR的比例系數(shù)為： （3-10）3.2

10、.2 轉(zhuǎn)速環(huán)校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為： （3-11）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件>，滿足簡(jiǎn)化條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件>，滿足近似條件3.2.3 計(jì)算ASR調(diào)節(jié)器的電阻和電容給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，如圖3所示。取，則，取580圖3 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 （3-12） （3-13）3.2.4 校驗(yàn)ASR調(diào)節(jié)器的超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得到 ，這是突加階躍給定時(shí)，ASR飽和而得出的超調(diào)量，當(dāng)ASR退保和以后有： （3-14）滿足空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量要求。4系統(tǒng)仿真與分析系統(tǒng)仿真分為有ACR限幅和無(wú)ACR限幅兩種情況，都是研究變負(fù)載擾

11、動(dòng)情況下的轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線的情況。在有ACR限幅值時(shí)對(duì)ACR的saturation部分輸入限幅值，然后進(jìn)行仿真，在無(wú)ACR限幅值時(shí)對(duì)ACR的saturation部分恢復(fù)默認(rèn)即無(wú)窮大或者輸入一個(gè)比限幅值大得多的數(shù)，然后進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真得出起動(dòng)轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流，直流電壓Ud，ASR、ACR輸出的電壓波形，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。4.1仿真結(jié)果及波形根據(jù)所求參數(shù)，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖3-1為雙變換直流調(diào)速系統(tǒng)（Idn）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線的仿真框圖（為了能更清晰的看清各波形，我在直流電壓、ASR、ACR輸出點(diǎn)各接一示波器）。對(duì)于各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)前面都已經(jīng)設(shè)置好，只需在仿真時(shí)每個(gè)環(huán)節(jié)輸入所

12、得數(shù)值即可，另外ACR的saturation部分不能用題設(shè)給的10v，應(yīng)該自己另行計(jì)算，根據(jù)公式計(jì)算得到正確的限幅值應(yīng)為7.368v和-7.368v，此即為ACR限幅時(shí)的限幅值。參數(shù)設(shè)置如下：1) Id=0.308n，各參數(shù)設(shè)置按上面計(jì)算值設(shè)置；2) 轉(zhuǎn)速環(huán)在2s的時(shí)候斷線；圖3-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)變負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線MATLAB仿真框圖仿真原理圖中，階躍輸入和乘法器是用來(lái)模擬突然轉(zhuǎn)速環(huán)斷線的，它作用的開(kāi)始時(shí)間為2s，即系統(tǒng)運(yùn)行2s時(shí)階躍信號(hào)源會(huì)給乘法器一個(gè)信號(hào)，從而使得乘法器的輸出為0，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)斷開(kāi)。由于該系統(tǒng)是變負(fù)載擾動(dòng)（Idn），所以我給了一個(gè)變信號(hào)充當(dāng)變負(fù)載擾動(dòng)，這樣可以使

13、得輸出的波形達(dá)到額定值。由于加入了ACR的限幅環(huán)節(jié)，可以使得電流的超調(diào)得到限制，先把ACR的限幅值設(shè)為默認(rèn)，即無(wú)窮大，仿真得到波形，此波形及無(wú)ACR限幅值時(shí)的波形；經(jīng)過(guò)計(jì)算，ACR的最大值應(yīng)為7.368，在saturation模塊分別輸入7.368和-7.368，然后進(jìn)行仿真，得到有ACR限幅值時(shí)的波形，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)兩個(gè)波形有較大區(qū)別，由此可見(jiàn)ACR限幅在系統(tǒng)中是很重要的，同時(shí)調(diào)節(jié)ACR環(huán)節(jié)的限幅，得到一個(gè)最佳值，現(xiàn)將兩種情況下由仿真得到的波形列于下。4.1.1無(wú)ACR限幅值當(dāng)系統(tǒng)無(wú)ACR限幅值時(shí)，通過(guò)仿真可得起動(dòng)轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流，直流電壓Ud，ASR，ACR輸出電壓波形如圖所示：圖3-2 起動(dòng)

14、電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)速波形圖3-3 ASR輸出電壓圖3-4 ACR輸出電壓圖3-5直流電壓輸出4.1.2有ACR限幅值當(dāng)系統(tǒng)有ACR限幅值時(shí)，通過(guò)仿真可得起動(dòng)轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流，直流電壓Ud，ASR，ACR輸出電壓波形如圖所示：圖3-6 起動(dòng)電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)速波形圖圖3-7 ASR輸出電壓圖3-8 ACR輸出電壓圖3-9 直流電壓輸出4.2仿真結(jié)果分析 當(dāng)無(wú)ACR限幅值時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)在00.6秒時(shí)穩(wěn)定上升，其后保持1460r穩(wěn)定不變，在2s轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線后，轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升，并且一直上升；啟動(dòng)電流在轉(zhuǎn)速上升期間和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定期間分別穩(wěn)定在兩個(gè)不同的穩(wěn)定值，當(dāng)2s轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線時(shí)，電流上升，到某個(gè)值時(shí)又保持穩(wěn)定。ASR輸出

15、電壓在啟動(dòng)時(shí)瞬間上升到125v左右，然后開(kāi)始降落，0.6s左右時(shí)降到最低點(diǎn)開(kāi)始保持穩(wěn)定，在2s轉(zhuǎn)速環(huán)斷線時(shí)跳變到125v，其后保持穩(wěn)定；ACR輸出電壓經(jīng)過(guò)調(diào)整后穩(wěn)定在6.5v左右，在2s轉(zhuǎn)速環(huán)斷線時(shí)瞬間升高其后經(jīng)負(fù)反饋調(diào)節(jié)降低到最低值開(kāi)始緩慢上升；直流電壓波形和ACR基本相似，區(qū)別僅僅在數(shù)值上。當(dāng)有ACR限幅時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)在00.6秒時(shí)穩(wěn)定上升，其后保持1460r穩(wěn)定不變，在2s轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線后，轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升，當(dāng)上升到某一點(diǎn)時(shí)保持穩(wěn)定；啟動(dòng)電流在轉(zhuǎn)速上升期間和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定期間分別穩(wěn)定在兩個(gè)不同的穩(wěn)定值，當(dāng)2s轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線時(shí)，電流上升，然后開(kāi)始下降，當(dāng)下降到某個(gè)點(diǎn)時(shí)開(kāi)始保持穩(wěn)定；ASR輸出電壓與無(wú)AC

16、R限幅時(shí)相同；ACR輸出在正常啟動(dòng)時(shí)和無(wú)ACR限幅時(shí)相同，當(dāng)在2s轉(zhuǎn)速環(huán)斷線時(shí)輸出電壓瞬間上升，然后下降，在繼續(xù)上升的時(shí)候曲線比無(wú)ACR限幅時(shí)平緩，且上升到10v時(shí)開(kāi)始穩(wěn)定；直流電壓輸出在正常啟動(dòng)時(shí)也和無(wú)ACR限幅時(shí)相同，當(dāng)在2s轉(zhuǎn)速環(huán)斷線時(shí)輸出電壓瞬間上升到290v左右并保持穩(wěn)定。5小結(jié)與體會(huì) 經(jīng)過(guò)了一周半的時(shí)間，終于把本次課程設(shè)計(jì)圓滿完成，中間遇到了各種各樣的困難但是我也都一一克服。剛開(kāi)始的時(shí)候由于很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有使用matlab，所以做起來(lái)顯得很吃力，隨著時(shí)間的推進(jìn)，對(duì)matlab越來(lái)越熟悉，到后來(lái)已能熟練使用，本次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)matlab又有了許多新的認(rèn)識(shí)。 剛開(kāi)始設(shè)計(jì)電路的時(shí)候參考了課

17、本上的電路，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的演算終于將各個(gè)參數(shù)計(jì)算出來(lái)，然后就是在matlab上進(jìn)行仿真，仿真時(shí)出了各種各樣的問(wèn)題，剛開(kāi)始的時(shí)候怎么都出不來(lái)合理的波形，后來(lái)重新啟動(dòng)了matlab，所有的電路都重新做，最后終于仿真出了正確的波形，當(dāng)時(shí)的心情相當(dāng)激動(dòng)。后來(lái)在做沒(méi)有ACR限幅的時(shí)候發(fā)現(xiàn)波形和有ACR限幅的時(shí)候是相同的，不禁懷疑自己電路的正確性，后來(lái)經(jīng)過(guò)自己的推理和請(qǐng)教同學(xué)發(fā)現(xiàn)理論上也應(yīng)該是這樣的，于是終于把所有的仿真都完成了。 經(jīng)過(guò)本次課程設(shè)計(jì)讓我明白了自己動(dòng)手的重要性，而且只要努力認(rèn)真的去做無(wú)論什么樣的困難都可以克服。同時(shí)也體會(huì)到了與同學(xué)合作的重要性。總之，本次課程設(shè)計(jì)收獲頗豐，希望學(xué)校以后可以多開(kāi)展類(lèi)似的活動(dòng)。參考文獻(xiàn)1 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)/阮毅，陳伯時(shí)主編4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.82 楊蔭福，段善旭，朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2006 3 阮毅，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010 4 李發(fā)海，王巖.電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ).第3版.清華大學(xué)出版社，2005.8  5 李華德，李擎，白晶. 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009 6 張德豐等.MATLAB/Simulink建模與仿真