《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程設計說明書雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計及恒負載擾動電流環(huán)突然斷線matlab仿真

1、武漢理工大學電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計說明書摘要轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的調速系統(tǒng)，采用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的控制規(guī)律性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎，所以掌握雙閉環(huán)調速系統(tǒng)對于電力拖動控制系統(tǒng)的學習有很重要的作用。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，這樣形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)。而合理地選擇電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的結構和參數則是為了使系統(tǒng)更好的滿足生產工藝所要求的性能指標。本次課設的目的就是利用matlab進行雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真計算。關鍵詞：雙

2、閉環(huán) 調速 電流調節(jié)器 轉速調節(jié)器 仿真目錄摘要 i1 設計任務與分析 11.1設計任務 11.2任務分析 12 設計原理 22.1雙閉環(huán)系統(tǒng)簡介 2 2.1.1轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的組成 22.1.2雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 22.1.3雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結構圖 32.1.4轉速調節(jié)環(huán)作用 32.1.5電流調節(jié)環(huán)作用 32.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的工程設計方法 32.3典型系統(tǒng)結構 52.3.1典型型系統(tǒng) 52.3.2典型型系統(tǒng) 63.系統(tǒng)調節(jié)器設計 103.1電流環(huán)設計 103.1.1電流環(huán)結構設計 103.1.2電流環(huán)參數設計 113.2轉速環(huán)設計 133.2.1轉速環(huán)結構設計 13

3、3.2.2轉速環(huán)參數設計 144.matlab仿真 174.1啟動電流啟動轉速波形 174.2直流電壓仿真184.3 asr輸出電壓的波形 184.4 acr輸出電壓的波形 195.課程設計小結 206.參考文獻 21iii武漢理工大學電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計說明書雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計及恒負載擾動電流環(huán)突然斷線matlab仿真1、 設計任務與分析1.1設計任務：不可逆的生產設備，采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相半波整流電路，基本數據：直流電動機：=220v，=308a，=1000r/min， =0.196vmin/r；允許過載倍數=1.5,；時間常數：=0.012s =0.12s；晶閘管

4、放大倍數：=35,主回路總電阻：r=0.18；額定轉速時的給定電壓=10v，調節(jié)器asr，acr飽和輸出電壓=8v。設計要求穩(wěn)態(tài)指標：穩(wěn)態(tài)無靜差，d=10動態(tài)指標：電流超調量5%，空載啟動到額定轉速時的轉速超調量15%。選擇系統(tǒng)參數，計算電流環(huán)和轉速環(huán)的參數，并用matlab仿真恒負載擾動電流環(huán)突然斷線的情況。1.2任務分析：轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的調速系統(tǒng)，采用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的控制規(guī)律性能特點和設計方法是各種交、電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎，所以掌握雙閉環(huán)調速系統(tǒng)對于電力拖動控制系統(tǒng)的學習有很重要的作用。

5、本課程設計就要求結合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計，其中包括繪制該調速系統(tǒng)的原理圖，對調節(jié)器進行工程設計，選擇調節(jié)器的參數等。要實現(xiàn)直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調節(jié)器的參數以便進行合理的工程設計。2、 設計原理2.1雙閉環(huán)系統(tǒng)簡介2.1.1轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的組成應該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再讓電流負反饋發(fā)揮作用。在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流。把轉速

6、調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。2.1.2雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖圖1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖轉速反饋系數 電流反饋系數acr電流調節(jié)器 asr轉速調節(jié)器2.1.3雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結構圖圖2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖2.1.4轉速調節(jié)環(huán)作用（1）轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速n很快德跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用pi調節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電動機允

7、許的最大電流。2.1.5電流調節(jié)環(huán)作用（1）作為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）對轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。2.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的工程設計方法現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電動機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)可以近似為低階系統(tǒng)，而用運算放

8、大器或微機數字控制可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數典型的低階結構。如果事先對這些典型系統(tǒng)做比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數頻率特性當作預期的特性，弄清楚它們的參數與系統(tǒng)性能指標的關系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設計時，只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數計算，設計過程就要簡便得多，這就是工程設計方法。調節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數計算的公式，而且指明參數調整的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；

9、（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果要求更精確的動態(tài)性能，在典型系統(tǒng)設計的基礎上，利用matlab或simulink進行計算機輔助分析和設計，也可設計出實用有效的控制系統(tǒng)。作為工程設計方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調節(jié)器的設計過程分作兩步：第一步，先選擇調節(jié)器的結果，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調節(jié)器的參數，以滿足動態(tài)性能指標的要求。以上兩步就把穩(wěn)、準、快、抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)態(tài)性的穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進一步滿足其他動態(tài)性能指標。控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數都可以表示成

10、 （2-1）分母中的sr項表示該系統(tǒng)在s=0處有r重極點，或者說，系統(tǒng)含有r個積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0型系統(tǒng)（r=0），至少是型系統(tǒng)（r=1）；當給定是斜坡輸入時，則要求是型系統(tǒng)（r=2）才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差。選擇調節(jié)器的結構，使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由于型（r=3）和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把型和型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設計的目標。2.3典型系統(tǒng)結構型和型系統(tǒng)又都有多種多樣的結構，它們的區(qū)別就在于除原點以外的零、極點具有不同的個數和位置。如果在型和型系統(tǒng)中各選擇一種結構作為典型結構，把實際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，顯然可使設計方法簡單得多

11、。因為只要事先找到典型系統(tǒng)的參數和系統(tǒng)動態(tài)性能指標之間的關系，求出計算公式或制成備查的表格，在具體選擇參數時，只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數據計算一下就可以了。這樣就使設計方法規(guī)范化，大大減少設計工作量。2.3.1典型型系統(tǒng)作為典型的i型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數選擇為 （2-2） 式中， t系統(tǒng)的慣性時間常數； k系統(tǒng)的開環(huán)增益。典型型系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)結構圖如圖3（a）所示，圖3（b）表示它的開環(huán)對數頻率特性。對數幅頻特性的中頻段以-20db/dec的斜率穿越零分貝線，只要參數的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。a） 典i系統(tǒng)閉環(huán)結構圖b） 典i系統(tǒng)開環(huán)頻率特性只包含開環(huán)增益k和時間常數

12、t兩個參數，時間常數t往往是控制對象本身固有的，唯一 圖3可變的只有開環(huán)增益k 。設計時，需要按照性 能指標選擇參數k的大小。 當，由開環(huán)對數頻率特性可知 所以相角裕度為 ，k值越大，截止頻率wc 也越大，系統(tǒng)響應越快，相角穩(wěn)定裕度 g 越小，快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。在選擇參數 k時，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折衷。（1）動態(tài)跟隨性能指標由圖3（a）可得典型型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為 （2-3）表2-1 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系參數關系kt0.250.390.50.691.0阻尼比z超調量s上升時間 tr峰值時間 tp相角穩(wěn)定裕度 g截止頻率wc1.00 %76.30.2

13、43/t0.81.5%6.6t8.3t69.90.367/t0.7074.3 %4.7t6.2t65.50.455/t0.69.5 %3.3t4.7t59.2 0.596/t0.516.3 %2.4t3.2t51.8 0.786/t（2）動態(tài)抗擾性能指標影響到參數k的選擇的第二個因素是它和抗擾性能指標之間的關系，典型型系統(tǒng)已經規(guī)定了系統(tǒng)的結構，分析它的抗擾性能指標的關鍵因素是擾動作用點，某種定量的抗擾性能指標只適用于一種特定的擾動作用點。表2-2 典型i型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數的關系27.8%12.6%9.3%6.5%2.83.43.84.014.721.728.730.42.3.2典型型

14、系統(tǒng)典型型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數表示為:（2-10）系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)結構圖如圖4（a）所示，圖4（b）表示它的開環(huán)對數頻率特性。典型型系統(tǒng)的時間常數t也是控制對象固有的，而待定的參數有兩個： k 和 t 。定義中頻寬：（2-11）中頻寬表示了斜率為20db/sec的中頻的寬度，是一個與性能指標緊密相關的參數。圖4 a） 典系統(tǒng)閉環(huán)結構圖b） 典系統(tǒng)開環(huán)頻率特性（2-12）改變k相當于使開環(huán)對數幅頻特性上下平移，此特性與閉環(huán)系統(tǒng)的快速性有關。系統(tǒng)相角穩(wěn)定裕度為：（2-13）比t大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度就越大。采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數之間的一種最佳配合。（2-1

15、4）（2-15）在確定了h之后，可求得 （2-16） （2-17）（1） 動態(tài)跟隨性能指標按mr最小準則選擇調節(jié)器參數，典型型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：（2-18）系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為：（2-19）當r(t)為單位階躍函數時， ：（2-20）表2-3 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標 (按mrmin準則確定參數關系)h345678910str / tts / tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201（2） 動態(tài)

16、抗擾性能指標如前所述，控制系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能指標是因系統(tǒng)結構和擾動作用點而異的。轉速環(huán)在負載擾動作用下的動態(tài)結構如圖5所示：圖5 轉速環(huán)在負載擾動作用下的動態(tài)結構圖中， 是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數，采用pi調節(jié)器。在擾動作用點前后各有一個積分環(huán)節(jié)，可用圖6（a）來表示它的動態(tài)結構，擾動量作用下的等效結構圖為圖6（b）。在圖6中，用作為擾動作用點前的控制對象，這是為了和式（2-10）所定義的典型型系統(tǒng)在形式上一致。圖6a）電流環(huán)動態(tài)結構圖 b）擾動量作用下的等效結構圖表2-4 典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數的關系h345678910cmax/cbtm / ttv / t72.2%2.4513.60

17、77.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85由表2-4中的數據可見， 值越小， 也越小， 都短，因而抗擾性能越好。但是，當 時，由于振蕩次數的增加，h再小，恢復時間 反而拖長了。 是較好的選擇，這與跟隨性能中調節(jié)時間 最短的條件是一致的（見表2-3）。3.系統(tǒng)調節(jié)器設計3.1電流環(huán)設計 3.1.1電流環(huán)結構設計電流環(huán)的動態(tài)結構圖如圖7所示。對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化緩慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)

18、性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結構圖，如圖7（a）所示。可以證明，忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是： （3-1）式中 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改為，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖7（b）所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數取值相同的方便之處。由于和一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數為 （3-2）則電流環(huán)結構框圖最終簡化成圖7（c）所示。簡化的近似條件為 （3-3）（a）（b）（c）圖7 電

19、流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡（a)忽略反電動勢的動態(tài)影響 （b)等效成單位負反饋系統(tǒng) （c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理3.1.2電流環(huán)參數設計（1）確定時間常數：整流裝置滯后時間常數，查表得三相半波電路的平均失控時間=0.0033s。電流濾波時間常數，三相半波電路每個波頭時間為0.0033s，為了基本濾平波頭，應有（1-2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。電流環(huán)小時間常數之和：按小時間常數近似處理，取=+=0.0053s。（2）選擇電流調節(jié)器結構：根據設計要求，并保證電流無靜差，可按典型i型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用pi型電流調節(jié)器，其傳遞函數為： （3-4）檢

20、查抗擾性能：，查表2-2可得各項指標均可接受。（3） 計算acr參數：電流調節(jié)器超前時間常數：。電流環(huán)開環(huán)增益：acr比例系數：（4） 電流環(huán)校驗近似條件電流環(huán)截止頻率為：1） 檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數近似條件： 滿足2） 檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足3） 校驗電流環(huán)小時間常數近似處理條件： 滿足（5） 計算電容電阻電流調節(jié)器acr電路圖如圖8：圖8 電流調節(jié)器acr電路圖按所選放大器取，各電阻和電容計算如下：3.2轉速環(huán)設計3.2.1轉速環(huán)結構設計用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2中的電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖9（a）所示。和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋

21、濾波同時等效地移到環(huán)內前向通道上，并將給定信號改成，再把時間常數為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （3-5）則轉速環(huán)結構圖可簡化成圖9（b）。（a）（b）（c）圖9 轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖及其簡化（a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) （b）等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的近似處理 （c）校正后成為典型型系統(tǒng)為了實現(xiàn)無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，由于擾動作用點后面已經有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)中就有兩個積分環(huán)節(jié)，應該設計為典型型系統(tǒng)，asr也采用pi調節(jié)器，傳遞函數為 （3-6）式子中為轉速調節(jié)器比例系數，為轉速調節(jié)器超前時間常數。這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳

22、遞函數為： （3-7）令轉速環(huán)開環(huán)增益為： （3-8）按照典型型系統(tǒng)的參數關系，有 （3-9） （3-10）所以 （3-11）一般取h=5。3.2.2轉速環(huán)參數設計（1）確定時間常數：1） 電流環(huán)等效時間常數。取 2） 轉速濾波時間常數3） 轉速環(huán)小時間常數（2）選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用pi調節(jié)器，其傳遞函數見（3-6）。（3）計算轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則asr的超前時間常數為開環(huán)增益asr比例系數（4）校驗近似條件轉速環(huán)截至頻率1） 電流環(huán)傳遞函數簡化條件： 滿足 2） 轉速環(huán)小時間常數近似處理條件： 滿足（5） 計算電阻電容 含給定濾波與反饋濾波

23、的pi型轉速調節(jié)器如圖10所示。圖10 含給定濾波與反饋濾波的pi型轉速調節(jié)器取，則 （6） 校核轉速超調量當h=5時，查表得，不能滿足設計要求。實際上，突加階躍給定時，asr飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按asr退飽和時的情況重新計算。滿足空載啟動到額定轉速時的超調量要求。4、 matlab仿真采用matlab對雙閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真，繪制直流調速系統(tǒng)（）穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線仿真框圖，見圖11：圖11 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型圖4.1啟動電流啟動轉速波形空載啟動，2s時達到額定轉速，在step2處給定4s時電流環(huán)斷線。轉速和電流波形如圖12所示：圖12轉速和電流波形圖1） 計算超調量： 電流超調

24、量為 ，符合要求轉速超調量為，符合要求。2） 仿真圖啟動與過程分析：空載啟動，電流上升階段電流很快達到最大值，asr進入飽和狀態(tài)。恒流升速階段電流基本恒定，轉速則呈線性增長。轉速調節(jié)階段當轉速上升到給定值時，asr輸入偏差為零。轉速超調后，asr輸入偏差為負，開始退飽和，系統(tǒng)轉速逐漸穩(wěn)定下來。當到2s時，在額定轉速下，轉速下降后又趨于穩(wěn)定。到4s時，電流環(huán)斷線，acr沒有電流反饋環(huán)節(jié)，電流很快增加，轉速反饋增大，asr輸出減小，使acr輸入增大，轉速反饋減小，與給定偏差增大，asr輸出增大，acr輸入增大，轉速反饋增大，依次這樣震蕩。4.2直流電壓仿真直流電壓的仿真波形如圖13所示：圖13 直流電壓波形4.3 asr輸出電壓的波形asr輸出電壓的波形如圖14所示：圖14 a