三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模與仿真資料

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(jì)一、三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jìn)而得。 當(dāng)采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，在電流上升階段，電流急劇上升，變化率很大，會(huì)在直流電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生嚴(yán)重后果， 如產(chǎn)生很高的附加電動(dòng)勢及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。 為解決這一矛盾，在電流環(huán)內(nèi)設(shè)置一個(gè)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(dòng)電流。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要，當(dāng)給定電壓 U n* 后， ASR 輸出飽和，電機(jī)以最大的允許電流起動(dòng)，同時(shí)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(dāng)達(dá)到給定

2、的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 退飽和，電機(jī)電樞電流緩慢下降。這樣，經(jīng)三個(gè)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)很快達(dá)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(hào)，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(fù)反饋信號(hào)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(gè)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(jì)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(duì)電網(wǎng)電

3、壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中， 保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。電流變化率環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為KdiWcld1KdiTl TsS2TlTs S 1)di di S(1K di1Kdi式中， K di = K sdi di；d R為 ADR的積分時(shí)間常數(shù)；為 ADR時(shí)間常數(shù)調(diào)整器的分壓比；di 電流微分時(shí)間常數(shù)；Todi 電流微分濾波時(shí)間常數(shù)。在該設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)Todi 為 0.002 S; 電路中 PI 調(diào)節(jié)器的電阻 R0 取為 1K, 調(diào)節(jié)器的電容 Cd 取為 47uF, ADR 時(shí)間常數(shù)調(diào)整器的分壓比

4、取0.5 ，得到積分調(diào)節(jié)器為 10 ；仿真后發(fā)現(xiàn)效果不好，S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S 10;S一 般取 電 流 微 分時(shí) 間常 數(shù) di為 0.01 ，電流檢測反饋di 為 0.05， 所 以di Tdi s0.0005 S；Todi s 10.002S 1*( )+Uct (s)U do ( s)Udis1_PIK s1Todi s1T s1RT1 s 1s（ a)didi s STodi s 1二、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)1） 滯后時(shí)間常數(shù) Ts =0.0017s（ 2） CeU NRa I N0.132V .min/ rnN（ 3）

5、TmGD 2 R =0.18s375CeCm（ 4）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) T i 。由題目條件可知 Toi0.002s 。故按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T iTsToi =0.0037s 。選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)電流超調(diào)量i 5% 的要求，電流環(huán)按照典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：i s1WACR ( s) K isi式中K i 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)3.選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)： iTlL0.03sR電流反饋系數(shù)： =0.05V/A電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5% 時(shí) , 查表得 K I T i0.5 , 因此K I0.50.5s 113

6、5.14s 1T i0.0037帶入以上數(shù)據(jù)有 ：校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為K i K Ii R=1.01K sciK I135.14 1 .s1（1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：ci3Ts而 11196.1s 1ci ，即滿足近似條件=3Ts3 0.0017（ 2）忽略反電動(dòng)勢對(duì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：1ci3TmTl而 311=40.8ci ，即滿足近似條件=30.18 0.03TmTl（ 3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：11ci3 TsToi而1111180.8s 1ci ，即滿足近似條件3TsToi30.00170.002三、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)如下確定時(shí)間常數(shù)已知 Ts ，由電流環(huán)設(shè)計(jì)可知，T i

7、 0.0037son0.01故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) T n 2T i Ton0.0174s選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(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：n s1WASRK nn s式中 Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。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(shí)間常數(shù)為hT n 5 0.0174s 0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 K Nh 16396.35s 22h2T n22 25 0.01742已知：0.05,Ce 0.132Vmin/ r

8、, Tm0.18s, R0.5,T n0.0174s,0.007(Vr 1min)K n(h1)CeTm6 0.05 0.132 0.1811.7于是 ASR的比例系數(shù)為：2h RT n25 0.0070.50.01744. 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 cn K N n396.350.087 34.48s 1（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：1K IcnT i31K I1135.1463.7s 1cn滿足近似條件3T i30.0037（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似條件：cn1K I3Ton1K I1135.1438.75s 1cn滿足近似條件3Ton30.01四、 Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、

9、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(gè)動(dòng)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(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink 。Simulink是 MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真和分析

10、的一個(gè)軟件包， 被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)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 是用于動(dòng)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)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink 提

11、供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(kuò)展了 Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也提供了用 于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。 Simulink 與 MATLAB 緊密集成，可以直接訪問 MATLAB大量的工具來進(jìn)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(hào)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(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù) , 然后利用 MATLAB的 SIMULINK軟件進(jìn)行仿真 , 靈活修改參數(shù) , 直至得到

12、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(dòng)后的仿真圖3.結(jié)論從仿真結(jié)果圖中可以看出， 在電機(jī)的啟動(dòng)階段， 電流調(diào)節(jié)器作用下的電機(jī)電樞電流接近最大值， 使得電機(jī)以最優(yōu)時(shí)間準(zhǔn)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(shí)間要比雙閉環(huán)的過渡時(shí)間長，這是因?yàn)楫?dāng)電流變化率過大時(shí)，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(dòng)過程和雙閉環(huán)相同。 這既保持了雙閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)， 又克服了雙閉環(huán)在啟動(dòng)過程中電流變化率過大的缺點(diǎn)。五、總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)， 我基本

13、掌握了三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 經(jīng)過近兩周的設(shè)計(jì)， 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(jì)方法。在整個(gè)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(shí)，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(shí)，得到了結(jié)果圖，不正確，出現(xiàn)了震蕩，經(jīng)過對(duì)電流變化率環(huán)ADR 參數(shù)的反復(fù)修改，計(jì)算最后得到了比較合理的仿真圖。雖然在這次課程設(shè)計(jì)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(xué)到很多的知識(shí)， 加深了對(duì)課本上理論的理解程度，將自己的所學(xué)能運(yùn)用到實(shí)踐，鍛煉了自己獨(dú)立解決問題的能力。在此，也由衷感謝老師對(duì)自己的指導(dǎo)，這才能順利的完成課程設(shè)計(jì)。六、參考文獻(xiàn)陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2008.王兆安電力電子技術(shù) M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.胡壽松 . 自動(dòng)控制原理 M. 北京：科學(xué)出版社， 2007.楊興姚電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng) M 北京：水利電力出版社， 1979.阮毅，陳伯時(shí) . 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2009.薛定宇，陳陽