雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)

1、(洛陽工業(yè)高等?？茖W(xué)校自動(dòng)化系，河南471003) 摘要:針對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)與實(shí)際要求相差較大的現(xiàn)彖，木文利用matlab/simulink仿真平臺(tái)對(duì)直 流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真；通過系統(tǒng)仿真以靈活調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，從而獲得理想的設(shè)計(jì)結(jié)果；實(shí) 踐表明，利用仿真技術(shù)可以大大地減少直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 理論設(shè)計(jì) 系統(tǒng)仿其中圖分類號(hào)：tp183； tm342文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：b0前言在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況作參數(shù)的調(diào) 整是系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試過程必不可少的一部分。原因在于系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，往往與理論設(shè)計(jì)時(shí)所 用的值冇一定的誤差，而fl

2、系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)菲線性因素影響會(huì)使系統(tǒng)在理論設(shè)計(jì)參數(shù)后并不能 立即獲得理想的調(diào)速性能，因此需耍通過調(diào)試過程才能獲得理想性能。傳統(tǒng)的調(diào)試方法不僅 增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試強(qiáng)度而且不易產(chǎn)生預(yù)期結(jié)果。matlab/simulink仿真平臺(tái)是基于模型化 圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，利用這種仿真工具可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建 立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)問變化的過程。通過對(duì)數(shù)字仿真模型 的運(yùn)行過程的觀察和設(shè)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計(jì)和推斷 實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性olfu.b.nj以非常方便地完成調(diào)試過程口能十分直觀地得到系統(tǒng) 輸出波形。利用matla

3、b/simulink仿真工具有效地對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，對(duì)以非常氏 觀地觀察電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，是日前國際上廣泛流行的工程仿 真技術(shù)。本文利用matlab仿真工具對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過仿真方法來調(diào)整理 論設(shè)計(jì)所得的參數(shù)，找出系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)，仿真結(jié)果可以用來指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)組成及要求木文研究的對(duì)象為電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示， 系統(tǒng)參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)：un - 220v ； i” =1364； nn = 1460卩7 ； ce = 0.132v/rpm ； 允許過載倍數(shù)：a = 1.5

4、；三和橋式整流裝置放大倍數(shù)：ks =40；電樞回路總電阻:心=0.50；時(shí)問常數(shù)：7；= 0.03$ ； tm =0.1855,電流反饋系數(shù)：j3 = q.q5v/a； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a = q.01v/rpm.設(shè)計(jì)要求：(1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；(2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量ctz- < 5% ,啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量<7 <10%;1.2電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)1:確定時(shí)間常數(shù)。(1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)7；三相橋式電路的平均失控時(shí)間7； =0.0017(2)電流濾波時(shí)間常數(shù)7；三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms,為了基木濾平波頭，應(yīng)該有（12）。=3.33處，因此取toi

5、= 0.0025 ； （3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)心 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取心=ts +toi = 0.0037$。圖1直流雙閉壞調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2：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:< 5%，而且 t, % = 0.03/0.0037 = 8.11<10,因此設(shè)計(jì)成典 型i型系統(tǒng)。asracr3：電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇_電流調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器（pi），其傳遞函數(shù)為wac,（s） = ki（tis + l）/tiso4：選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：r, = 7； = 0.035 :電流開環(huán)增益：因要求（t, < 5% ,故 =0.5,因此 心=0.5

6、/g =0.5/0.0037 = 135.1$t,于是電流調(diào)節(jié)器的比例系 數(shù)為 ki=k“jri/3k, =1.0135：校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 =匕=135.ir'1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足：久<1/3tv,因?yàn)?/37； = 196,> %,所以滿足近似條件；2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足：0止3jl/7；0 ,由于3jl/7；“7； = 40.3&l v軸，滿足近似條件；3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理是否滿足條件：嗎 5（1/3）j1/7x ,巾于（1/3）jd帀7 = 180.8<* > 5,滿足近似條件。

7、按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和近似條件。1.3速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)1：確立吋間常數(shù)。(1)電流環(huán)等效吋間常數(shù)為2、=0.0074$； (2)電流濾波吋間常數(shù)7；“根據(jù)所川測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取匚=0.015； (3)轉(zhuǎn)速壞小時(shí)間常數(shù)?！卑葱r(shí)間常數(shù)近似處理，取心"=2心+7；” = 0.0174$ o2：確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)耍求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(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)。3：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(pi)，其傳遞函數(shù)為w伽($)=心億$ + 1)/匚$。4：選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和

8、抗擾性能都較好的原則取h=5,則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為rn = ht” = 0.0875 ,轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為/? + !2化=3964嚴(yán)所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為(h + d0cx2hart*= 11.75：校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 = kntn = 34.5$_1) 校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足(, <l/5tn,由于1 / 5ts/. =54.1<! > %, 滿足簡化條件；2) 校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理是否滿足條件：% 5(1/3)j1/27；佐,山于(l/3)jl/27；佐.=38.75,滿足近似條件。3)核算轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng) h=5 時(shí),acmax/q =81

9、.2%,而 ann =inr/ce =5l5.2rpmf 因此<rn% = (acmax /cjx2(2-z)(amn7)/nx = 8.31% < 10%能滿足設(shè)計(jì)要求。2系統(tǒng)仿真1. 1理論計(jì)算參數(shù)仿真分析根據(jù)理論設(shè)計(jì)結(jié)果，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。在額定轉(zhuǎn)速和空載下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的仿真輸出波形, 如圖3。圖3額定轉(zhuǎn)速空載時(shí)轉(zhuǎn)速仿真波形圖4調(diào)整后的轉(zhuǎn)速仿真波形從圖3中可知：1：轉(zhuǎn)速超調(diào)量為25%,轉(zhuǎn)速超調(diào)量過大，系統(tǒng)和對(duì)穩(wěn)定性弱;2：整個(gè)起動(dòng)過程只需0.6秒，系統(tǒng)的快速性較好。1.2仿真調(diào)試分析通過以上仿真分析，與理想的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特

10、性相比，仿真的結(jié)果與理論設(shè)計(jì)具冇差距。 為什么會(huì)出現(xiàn)上述情況，從理論的設(shè)計(jì)過程中不難看出，因?yàn)樵凇暗湫拖到y(tǒng)的授佳設(shè)計(jì)法” 時(shí)，將一些非線性環(huán)節(jié)簡化為線性環(huán)節(jié)來處理，如滯后環(huán)節(jié)近似為一階慣性，調(diào)節(jié)器的限幅 輸出特性近似為線性環(huán)節(jié)等。經(jīng)過人雖仿真調(diào)試，改變電流和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，兼顧電 流、轉(zhuǎn)速超調(diào)量和起動(dòng)時(shí)間性能指標(biāo)，找出最佳參數(shù)為：k, =0.83, r,. = 0.022 ； kn =8.17, rn = 0.3 0 其轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。從圖4中可知：1：轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量為6%,超調(diào)量符合要求。2：整個(gè)起動(dòng)過程約為0.8秒，系統(tǒng)的快速性仍較好。3結(jié)論以上分析表明，利用matlab仿真平臺(tái)對(duì)直

11、流調(diào)速系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)與調(diào)試使得系統(tǒng)的性能 分析過程簡單。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以準(zhǔn)確地了解到理論設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)z間的偏差, 逐步改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，得到最優(yōu)調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得系統(tǒng)的調(diào)試得到簡化，縮短了產(chǎn)品的 開發(fā)設(shè)計(jì)周期。該仿真方法必將在直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試中得到廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第三版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004；2 陳桂明等.應(yīng)用matlab建模與仿真.北京：科學(xué)出版社，2001。3 姬宣德等.基于mat lab的矢量控制系統(tǒng)仿真.礦山機(jī)械2005. ec：電流調(diào)節(jié)器叫 c/?($)= k$ + l)/g；ti swacr ($) = kj + (i-) x-