基于MATLAB的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究.doc

基于matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究基于matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究摘要：本次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理及組成，并且分別對(duì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行了分析，而且對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)模型的建立和參數(shù)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用matlab計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 電流環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán) 計(jì)算機(jī)仿真一、研究要求1、掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理及組成2、掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究方法二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理2.1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 許多生產(chǎn)機(jī)械，由于加工和運(yùn)行的要求，使電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于起動(dòng)、制 動(dòng)、反轉(zhuǎn)的過(guò)渡過(guò)程中，因此起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間在很大程度上決定了生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率。為縮短這一部分時(shí)間，僅采用pi調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)較單閉環(huán)相比具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。具有單閉環(huán)不能比擬的優(yōu)勢(shì)2.2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如1圖所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器asr和acr一般都采用pi調(diào)節(jié)器。因?yàn)閜i調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用pi調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 圖1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.3系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)2.3.1 系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)首先，畫(huà)出其穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出量，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)，當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況2.3.1.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都是零。un*=un=n=n0n=n0，ui*=ui=id由于asr不飽和，ui*uim*，則ididm 2.3.1.2、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 asr輸出達(dá)到限幅值uim*,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)于系統(tǒng) 不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)： id= =idm = ，此時(shí)必須是nn0wc 滿足近似條件（2） 校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 滿足近似條件（3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件3.2.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖5所示圖5 電流調(diào)節(jié)器原理圖按所有運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下 取 取 取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，滿足設(shè)計(jì)要求。3.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。3.3.1確定時(shí)間常數(shù)（1） 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為。（2） 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)根據(jù)所用調(diào)速發(fā)電機(jī)紋波情況，?。?） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取3.3.2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無(wú)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)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故選用調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.3.3、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取,則的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益于是，的比例系數(shù)為 3.3.4、效驗(yàn)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(jiǎn)化條件： =s=63.7 swcn 滿足簡(jiǎn)化條件。（2） 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： = s=38.7 s wcn 滿足近似條件。3.3.5、計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如下圖6：圖6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖取，則， 取，取， 取3.3.6、校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，n=37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，以上我們是按照線性系統(tǒng)計(jì)算而得，當(dāng)加階躍時(shí)，asr飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，則需按asr退飽和情況重新計(jì)算。當(dāng)按asr退飽和情況重新計(jì)算時(shí)：n=281.2%1.58.31%10%能滿足設(shè)計(jì)要求。四、simulink仿真實(shí)驗(yàn)4.1電流環(huán)的仿真電流環(huán)的仿真模型如圖7圖7電流環(huán)的仿真模型（1） 當(dāng)參數(shù)關(guān)系是kt=0.5時(shí)，電流環(huán)的仿真結(jié)果如圖8所示： 圖8電流環(huán)的仿真結(jié)果分析：從圖中可以曲線看出，其階躍響應(yīng)的仿真曲線有很小的超調(diào)量，接著曲線呈略微的下降趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值略低于200a。（2）當(dāng)參數(shù)關(guān)系是kt=0.25時(shí)，按i型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.5067+ ,電流環(huán)的階躍的仿真結(jié)果如圖9所示。圖9無(wú)超調(diào)的仿真結(jié)果分析：從圖中可以曲線看出，其階躍響應(yīng)的仿真曲線無(wú)超調(diào)，但上升時(shí)間較上幅圖的結(jié)果有變長(zhǎng)，其穩(wěn)定值也略低于200a。（3） 當(dāng)參數(shù)關(guān)系是kt=1.0時(shí)，得到pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2.027+ ，電流環(huán)的階躍的仿真結(jié)果如圖10所示。圖10轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖分析：從圖中可以曲線看出，其階躍響應(yīng)的仿真曲線超調(diào)量很大，較上述的結(jié)果而言上升時(shí)間變短，且其穩(wěn)定值也略低于200a。三種情況分析小結(jié)：觀察三條仿真曲線，在直流電動(dòng)機(jī)的恒流升速階段，電流值低于n,其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)，其是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，所以系統(tǒng)做不到無(wú)靜差，而是id略低于idm。4.2、轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真pi參數(shù)采用上述轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)結(jié)果，其傳遞函數(shù)為 11.7+ 。轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型如圖11所示圖11 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型（1） 將階躍值設(shè)置為10，得到啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖12所示，asr調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)了不飽和，飽和，退飽和三個(gè)階段，最終穩(wěn)定運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速。圖12轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動(dòng)波形圖分析：從圖中得到啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線，轉(zhuǎn)速的響應(yīng)看出啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上訴，最終達(dá)穩(wěn)定與給定轉(zhuǎn)速，而電流的響應(yīng)曲線呈上升，不變，下降三種趨勢(shì)，即對(duì)應(yīng)著，asr調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)了不飽和，飽和，退飽和三個(gè)階段。（2）將負(fù)載電流設(shè)置為136，滿載啟動(dòng)，響應(yīng)曲線如圖13所示，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，退飽和超調(diào)量減少。圖13轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)波形圖分析：從圖中可以看出當(dāng)滿載啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速曲線的上升階段時(shí)間較上幅圖而言時(shí)間延長(zhǎng)，即，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)。而電流響應(yīng)曲線在退飽和時(shí)超調(diào)量有所減少。（3）轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾過(guò)程仿真結(jié)果響應(yīng)曲線，如圖14所示圖14轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖分析：圖中曲線是在空載運(yùn)行過(guò)程中受到了額定電流擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流仿真結(jié)果響應(yīng)曲線，可以看到其受到擾動(dòng)后，又迅速趨于穩(wěn)定，即可以看出其抗擾性能強(qiáng)。，五、研究?jī)?nèi)容總結(jié)及體會(huì)在運(yùn)動(dòng)控制課程中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，了解了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性；，系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。而且相對(duì)于單閉環(huán)來(lái)說(shuō)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的抗擾性能，并且它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。另外，基本掌握了asr、acr（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計(jì)算。 另一方面，在控制系統(tǒng)仿真課實(shí)驗(yàn)上，我們學(xué)習(xí)了有關(guān)mat