電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)matlab仿真實(shí)驗(yàn)Word版

1、仿真設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期年 月 日轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電 氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù) 學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的 仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套 實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，表明所設(shè)計(jì)的雙

2、閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用MATLAB 軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)訃，并用SIMULINK 進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真，同時(shí)查看仿真波形，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。二、系統(tǒng)理論分析2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速低于給定值，速度調(diào)節(jié)器的輸入端偏差信號(hào), 經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值，速度調(diào)節(jié)器丄作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電 壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器，此時(shí)以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸岀移相信 號(hào)，直流電壓迅速上升，電流也隨即增大直到最大給定值，電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速 啟

3、動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流可通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在轉(zhuǎn)速上升到給 定轉(zhuǎn)速后，速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出 飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用O對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，速度調(diào)節(jié)器輸入端偏差信號(hào)將 隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器修正觸發(fā)器的移相電壓，使整流橋輸出的直流電壓相 應(yīng)變化，校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù)，還能對(duì)因電網(wǎng) 波動(dòng)引起的電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，可在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí)，迅 速使電流恢復(fù)到原來值，從而使速度穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)

4、調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)速和電流。兩者實(shí)行嵌套連接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸岀當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的 輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在 里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR-電流調(diào)節(jié)器TG-測速發(fā)電機(jī)TA-電流互感器UPE-電力電子 變換器 I轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓廠一電流給定電壓Ui -電流反饋電壓2. 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)分析一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動(dòng)機(jī)的過載 能力，使電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動(dòng)，

5、達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下 降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這種理想的起動(dòng)過程如圖2所 示。圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識(shí)，采用機(jī)理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)描述1460參數(shù)：C, = Un -1風(fēng)= .22()136x0.2 =0 32Vgd2r22.5x0.5Tm = 0.18375 C 375 x0.132x x 0.132C,” 普 1.26三、系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，一般是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài) 精度和動(dòng)態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的

6、設(shè)計(jì)與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的 順序進(jìn)行，在動(dòng)態(tài)過程中可以認(rèn)為外環(huán)對(duì)內(nèi)環(huán)兒乎無影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個(gè)組成 環(huán)節(jié)。工程設(shè)計(jì)的步驟如下：1對(duì)已知系統(tǒng)的固有特性做恰當(dāng)?shù)淖儞Q和近似處理，以簡化調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。2根據(jù)具體情況選定預(yù)期特性，即典型1系統(tǒng)或典型II系統(tǒng)，并按照零極點(diǎn)相消的 原則，確定串聯(lián)調(diào)節(jié)器的類型。3根據(jù)要求的性能指標(biāo)，確定調(diào)節(jié)器的有關(guān)F、I、D參數(shù)。4校正。3.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)1、電流環(huán)的簡化：十圖4簡化后電流環(huán) 按典型I型系統(tǒng)設(shè)訃，ACR選PI調(diào)節(jié)器。t i=Tx, Kf (KK0 ) 4- ( t XR)2、確定時(shí)間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)人。三相橋式電路的平均失控時(shí)間人=17

7、s；(2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3. 33ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有(12兀=3.33林，因此取=2/= 0.0025 ；(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)&。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取=r+=000373、確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求而且込_ =上_ = &11V10,因此，電流環(huán)可按典型I型 TZi 0.0037系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：竺乜S5、選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：升=7； = 0.035 ；電流環(huán)開環(huán)增益：因?yàn)橐?%,故應(yīng)取K幾= 0.5,因此0.50.0037= 135*于是，ACR的比例系

8、數(shù)為K7澆lx齡6、計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)Ro/2OUctpid rH-p-EZZZ=FCoi圖5電流調(diào)節(jié)嗨原理圖電流調(diào)節(jié)器原理如圖5所示，按所用運(yùn)算放大器，取Ru=40KG，各電阻和電容值 計(jì)算如下:尺=/?（）= 1.013x40 = 4O52KC,取40KG ：二= 2x103=0.75/ 取0.75/0；R, 40tn no?Coi = 4- = 4xxlO3 =0.2/F,取02阿。&）403. 2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2TZi = 0.0074 5 :（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)7；”。根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取7；,= 0.015；（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)兀”。按小

9、時(shí)間常數(shù)近似處理，取=2T+Toll = 0.01745c3、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)：山于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求, 應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：5、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好的原則取則ASR超前時(shí)間常數(shù): rn =嘰=5x0.0174 = 0.087s ；轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：K廠啟守一二廠書市以兔牛于是ASR的比例系數(shù)為: 2/7 T Ta 2x 25 x 0.0174“ (h + )/3CeTm 6x0.05x0.132x0.18-K 八=11.7 o2haRT 2x5x0.07 x0

10、.5x0.01746、計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖7所示，按所用運(yùn)算放大器，取R=4OKC,各電阻和電容值計(jì)算如下：心=心他=11.7x4O = 468KC,取470KC ；=rfL = O：O87_xl()3 =0 185/F,取0.2/zF “心 470卜T0 016=4上= 4x xl0=1“F , K1/F o&)40圖7轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖四、系統(tǒng)仿真運(yùn)行4. 1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)定量仿真模型4.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)定量仿真結(jié)果4. 2.1轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速啟動(dòng)4. 2.2轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速啟動(dòng)4. 2. 3轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾分析：可以使電流快速達(dá)到，并保持略低于的值，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，最終達(dá)到恒速。且具 有抗擾作用，使轉(zhuǎn)速維持在給定值?？蛰d能比滿載更快速啟動(dòng)。五、仿真設(shè)計(jì)總結(jié)本文通過建立直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)，根據(jù)具體指標(biāo)參 數(shù)，應(yīng)用工程方法設(shè)訃了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)中選擇合適的調(diào)節(jié)器類型，給 出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行了仿真和性能分析。利用MATLAB及其中的仿真工具 Simulink,對(duì)所設(shè)訃的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍信號(hào)進(jìn)行了仿真訃算，很容易繪制出各單 位擾動(dòng)曲線，并計(jì)算出階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)，從階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線及其指標(biāo)得出：對(duì) 擾動(dòng)信號(hào)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗擾性能。山仿真計(jì)算結(jié)果表明，利用M