三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計建模與仿真

1、三閉環(huán)直流調(diào)速統(tǒng)的建模與仿真 三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計一、三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計方案三閉環(huán)直流調(diào)速主電路由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)改進而得。當采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)時，在電流上升階段，電流急劇上升，變化率很大，會在直流電動機中產(chǎn)生嚴重后果，如產(chǎn)生很高的附加電動勢及機械傳動機構(gòu)產(chǎn)生強烈的沖擊。為解決這一矛盾，在電流環(huán)內(nèi)設(shè)置一個電流變化率環(huán)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流、電流變化率的三環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)置輸出限幅，以限制最大啟動電流。根據(jù)系統(tǒng)運行的需要，當給定電壓后，ASR輸出飽和，電機以最大的允許電流起動，同時由于電流變化率ADR環(huán)的作用，使電流上升斜率有一定限制，當達到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR退飽

2、和，電機電樞電流緩慢下降。這樣，經(jīng)三個調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)很快達到穩(wěn)定。在帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的輸出仍是ACR的給定信號，并用其限幅值限制最大電流；ACR的輸出不是直接控制觸發(fā)電路，而是作為電流變化率調(diào)節(jié)器ADR的給定輸入，ADR的負反饋信號由電流檢測通過微分環(huán)節(jié)LD得到，ACR的輸出限幅值則限制最大的電流變化率。最后，由第三個調(diào)節(jié)器ADR的輸出限幅值決定觸發(fā)脈沖的最小控制角。帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、電流變化率環(huán)的設(shè)計電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大

3、電流，從而加快動態(tài)過程。電流變化率環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中，= ；為ADR的積分時間常數(shù)；為ADR時間常數(shù)調(diào)整器的分壓比；電流微分時間常數(shù)；電流微分濾波時間常數(shù)。在該設(shè)計中電流變化率調(diào)節(jié)器ADR選用PI調(diào)節(jié)器,取電流微分濾波時間常數(shù)為0.002 S;電路中PI調(diào)節(jié)器的電阻R取為1K,調(diào)節(jié)器的電容取為47uF, ADR時間常數(shù)調(diào)整器的分壓比取0.5，得到積分調(diào)節(jié)器為；仿真后發(fā)現(xiàn)效果不好，就添加了比例調(diào)節(jié)器，放大系數(shù)取1，得到ADR的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為;一般取電流微分時間常數(shù)為0.01，電流檢測反饋為0.05，所以； + _ （a)S 二、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1.確定時間常數(shù)（1） 滯后時間常數(shù)=

4、0.0017s （2） （3） =0.18s （4）電流環(huán)小時間常數(shù)。由題目條件可知。故按小時間常數(shù)近似處理，取=0.0037s。 2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)電流超調(diào)量 的要求，電流環(huán)按照典型系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)3. 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)： 電流反饋系數(shù)：=0.05V/A電流環(huán)開環(huán)增益：要求時,查表得,因此 帶入以上數(shù)據(jù)有：=1.01 4. 校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 （1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 而= ，即滿足近似條件 （2）忽略反電動勢對對電流環(huán)影響的條件： 而=40.8<

5、 ，即滿足近似條件 （3）小時間常數(shù)近似處理條件： 而 ，即滿足近似條件三、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計如下1. 確定時間常數(shù)已知，由電流環(huán)設(shè)計可知， 故轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用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)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。3. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)按題目要求并參照課本相關(guān)表格，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 已知： 于是ASR的比例系數(shù)為： 4. 校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： 滿足近似

6、條件 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件： 滿足近似條件 四、Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析 1.Simulink簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真

7、工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、 非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系 統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink&reg;是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)

8、計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。. 構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用 于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB&reg; 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)simulink建模與仿真結(jié)果 在仿真工程中,首先根據(jù)典型型或型系統(tǒng)的方法計算調(diào)節(jié)器的參數(shù),然

9、后利用MATLAB的SIMULINK軟件進行仿真,靈活修改參數(shù),直至得到滿意的結(jié)果.三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果圖如下：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖：三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)加入擾動后的仿真圖3.結(jié)論 從仿真結(jié)果圖中可以看出，在電機的啟動階段，電流調(diào)節(jié)器作用下的電機電樞電流接近最大值，使得電機以最優(yōu)時間準則開始上升。由圖可知，在電流的上升和下降階段，三閉環(huán)系統(tǒng)的過渡時間要比雙閉環(huán)的過渡時間長，這是因為當電流變化率過大時，由于電流調(diào)節(jié)器ADR的作用，電流上升和下降速度變緩的原因。除了在電流的上升和下降階段，電流變化率環(huán)起作用外，其它的啟動過程和雙閉環(huán)相同。這既保持了雙閉環(huán)的優(yōu)點，又克服了雙閉環(huán)在啟動過程中電流變

10、化率過大的缺點。五、總結(jié) 通過這次課程設(shè)計，我基本掌握了三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過近兩周的設(shè)計，通過查閱資料，基本上掌握了三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成原理，掌握了電流變化率內(nèi)環(huán)的設(shè)計方法。 在整個仿真過程中遇到了許多問題，比如先做雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真時，得到的仿真圖形不正確，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)設(shè)置不正確，經(jīng)過修改后得到可合理的仿真圖。再者，做三閉環(huán)的仿真時，得到了結(jié)果圖，不正確，出現(xiàn)了震蕩，經(jīng)過對電流變化率環(huán)ADR參數(shù)的反復修改，計算最后得到了比較合理的仿真圖。 雖然在這次課程設(shè)計中我遇到了很多的困難，但是經(jīng)過自己的努力，問題得到了解決，而且也學到很多的知識，加深了對課本上理論的理解程度，將自己的所學能運用到實踐，鍛煉了自己獨立解決問題的能力。在此，也由衷感謝老師對自己的指導，這才能順利的完成課程設(shè)計。六、參考文獻1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，2008.2王兆安電力電子技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，2003.3胡壽松.自動控制原理M.北京：科學出版社，2007.4楊興姚電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng)M北京：水利電力出版社，1979.5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，2009.6薛定宇，陳陽泉. 基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應用M.