調速系統(tǒng)調節(jié)器設計及變負載擾動下磁場突然減半matlab仿真(運動控制課程設計)要點

1、摘要隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠實現(xiàn)制動調速，因此我們就要對這樣的自動調速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由檢測電路，驅動電路構成，檢測電路又包括轉速檢測和電流檢測等部分。關鍵字：電力拖動、控制、直流調速、 matlab （下載 matlab 仿真圖的網(wǎng)站）1武漢理工大學電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計說明書目錄1設計任務與設計要求 11.1 設計任務 11.2 設計要求 12雙閉環(huán)直流調

2、速系統(tǒng)的介紹 12.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 32.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 43系統(tǒng)設計與參數(shù)計算 53.1 系統(tǒng)結構設計 53.2 系統(tǒng)參數(shù)計算 63.2.1 電流調節(jié)器的設計 63.2.2 轉速調節(jié)器的設計 84 matlab仿真分析 95心得體會 14參考文獻 15i武漢理工大學電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計說明書調速系統(tǒng)調節(jié)器設計及變負載擾動下磁場突然減半matlab仿真1設計任務與設計要求1.1 設計任務不可逆的生產(chǎn)設備，采用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，具整流裝置采用三相橋式 整流電路，系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下：直流電機：U nom = 220V, Inom = 136A,nn

3、om = 1460r / min,Ce = 0.132V min/ r,允許過載倍數(shù)九=1.5;時間常數(shù)：TL =0.03S,Tm=0.18S;晶閘管裝置放大倍數(shù)：Ks =40電樞回路總電阻：R=0.5C;電流反饋系數(shù)：P = 0.049V / A;轉數(shù)反饋系 數(shù)：二=0.00685V min/ r。1.2 設計要求(1)在負載和電網(wǎng)電壓的擾動下穩(wěn)態(tài)無靜差(2)動態(tài)指標：電流超調量 電流環(huán)，空載啟動到額定的轉速超調量0n <10% o(3 )利用matlab對雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真。2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)(轉速環(huán)、電流環(huán))直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適 用的電力傳動系統(tǒng)。它具

4、有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動 作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和pi調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較 高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或 轉矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它 只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起

5、動時的 電流和轉速波形如圖2.1 （a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩 也隨之減小，因而加速過程必然拖長。19（a）帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程（b）理想快速起動過程圖2.1 調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形在實際工作中，我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利 用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最 大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電 流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起 動過程波形如圖2.1 （b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長 的。這是在最大電

6、流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過 程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 I dm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負 反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而 不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希 望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速 系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同 的階段。2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉速

7、和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié) 器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行審級連接，如圖22所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制品閘管整 流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在 外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器 AS旺口 ACR-般都采用PI調節(jié)器。因為 PI調節(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)運行時得到 無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除 靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保

8、證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2.2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉速給定電壓和轉速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電 流反饋電壓；ASR一轉速調節(jié)器；ACR電流調節(jié)器；TG測速發(fā)電機；TA- 電流互感器；UP1電力電子變換器2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性I d_ *U n +圖2.3 :雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖 2.3所示，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性 的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和一一輸出達到限 值；不飽和一一輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量 的變化不再影響輸出，相當與使該

9、調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓AU在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜 特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1 .轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因 此，*Un 二Un 二- n 二二no(1-1)(1-2)一 *由式（1-1）可得：n = n=n00（從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，U*<Um可知Id <Idm,這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id =0一直延續(xù)到Id =Idm。而Idm 一股都是大于額定電流Idn的。這就是靜特性的

10、運行段，它是一 條水平的特性。2 .轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值Um，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系 統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)時：*I d = -m = I dm ( 1-3 )其中，最大電流Idm取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加 速度，由上式可得靜特性的 AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只 適合于n<n°的情況，因為如果nno,則UnUn, ASR將退出飽和狀態(tài)。CAB0Ainom圖2.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性曲線3系統(tǒng)設計與參數(shù)計算3.1 系統(tǒng)結構設計根據(jù)所給條件以及指標要求，確

11、定系統(tǒng)為雙閉環(huán)調速系統(tǒng)且調節(jié)器選用PI調節(jié)器典I結構。因為穩(wěn)態(tài)無靜差的要求，速度調節(jié)器和電流調節(jié)器均選用 PI 結構；因為電流超調量q<5%,空載啟動到額定轉速時的轉速超調量 q< 10軟。系統(tǒng)跟隨性能較好，所以調節(jié)器選用典I系統(tǒng)。圖3.1為雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖圖3.1為雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖3.2 系統(tǒng)參數(shù)計算3.2.1 電流調節(jié)器的設計1）確定時間常數(shù)整流裝置采用三相橋式全控整流電路，具平均失控時間Ts=0.0017s ;電流濾波時間常數(shù)Toi ,三相橋式電路每個波頭的時間是 3.3ms,為了基本濾平波 頭，應有（12） T0i=3.33ms,因此取、 =0.002s

12、。電流環(huán)小時間常數(shù)之和 % 二 Ts - TOI = 0»0037So2）計算電流調節(jié)器參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：Ti =Tl = 0.03s電流環(huán)開環(huán)增益：要求q<5%時，查表得應取KJl05,因此Ki135.1s，0.50.5=sTq 0.0037于是，ACR的比例系數(shù)為, K邛 1351x0.03x05' 440x0.053）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率： % 二 K.二 135.1s 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts1s ： 196.1s3 0.00172滿足近似條件校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3 = 3父1s之40.82smci滿足近

13、似條件 TmT V 0.18x0.03校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件111 s31TsToi3 . 0.0017 0.002滿足近似條件4)計算調節(jié)器電阻和電容電流調節(jié)器原理圖如圖3.2如所示，按所用運算放大器取 R = 40kQ,各電阻和電容值計算如下:R =KiR0 =1.013父40 = 40.520取 40kQCi 3 二3二°.75 爐=0.75.'取0.75日FCoi圖3.2 含給定濾波和反饋濾波的 PI型電流調節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為0)- 43% < 5%滿足設計要求3.2.2轉速調節(jié)器的設計1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常

14、數(shù) 卷，取KT二D5,則 5 =2% =0.0074s轉速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取 Ton =。,叱轉速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理，取%二 0,0174s2）計算轉速調節(jié)器參數(shù)轉速調節(jié)器選用PI調節(jié)器，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(shù)為n=hT-5 0.0174s = 0.087sKnh 12h2T、n6_222 52 0.01742_2 s:396.4s /可求得ASR的比例系數(shù)為Kn(h 1) CeTm2h：RT56 0.049 0.132 0.182 5 0.00685 0.5 0.0174= 11.73）校驗近似條件K1

15、1轉速環(huán)截止頻率：-cn = N = Kn . n = 396.4 0.087s34.5s1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1 即 _ 1 / 135.13 T三 一 3、0.0037s:63.7s4>cn滿足簡化條件 cn轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1 Ki _30 一1 135.1, s3 0.01%38.7sA 0n滿足近似條件cn4）計算調節(jié)器電阻與電容轉速調節(jié)器原理圖如圖3.3所示，取R0=40kQ則Rn =KnR0 =11.7父40 = 468由取 470 kG= Jn= 0.087 =0.185匹取 0.2 ”Rn470 103on4TonRo4 0.0140 103= 1F取1F圖

16、3.3含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器5）驗證設計是否滿足要求設理想空載起動時z=0,根據(jù)已知數(shù)據(jù)和求的的數(shù)據(jù)有：A 二 15, R 二。5。1加二 136Ar 二 1460r/min , Ce=0.132V min/r ,Tm=0.18s , 二 0i0174So 當h=5時，查表可得的”= 81.2%,帶入式-Cb=2（平%）（，-z）？NT河中得:&' n Tm卜 8.31%<10%能滿足設計要求。4 matlab仿真分析如圖4.1所示雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)整體仿真圖圖真仿統(tǒng)系速調流直環(huán)閉雙14圖E-8s1系統(tǒng)能在變負載下穩(wěn)定運行，電網(wǎng)擾動在 ACR的調節(jié)下系統(tǒng)也

17、能穩(wěn)定無靜 差的運行。設置仿真時間起始時間為0s,停止時間為1.5s,起動轉速與起動電流仿真 波形如圖4.2所示。圖4.2 起動轉速與起動電流仿真波形由圖4.2所示，第1階段是電流上升階段，突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調 節(jié)器的跟隨作用，直流電機電樞電流迅速達到最大值并有一定的超調，在這一 階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一般不飽和。第2階段保持最 大承受電樞電流這個階段電動機轉速上升，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上 保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速恒定，轉速呈線性增長，是起動過程中的主要 階段。第3階段轉速調節(jié)階段，

18、轉速環(huán)保持電動機轉速為額定值不變，在這個 階段ASR和ACR都不飽和，電流內環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。圖4.3 Ud仿真波形如圖4.3所示直流電流的仿真波形，在突然加給定時，直流電流迅速上 開，很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，在第1.5秒的時候由于電網(wǎng)擾動，直流電壓有些波 動，但很快得到抑制。在第2秒的時候磁場減半，由于前面兩個調節(jié)器的作 用，直流電壓變?yōu)樨?，最終恢復穩(wěn)定。圖4.4 ASR輸出電壓仿真波形如圖4.4所示速度調節(jié)器輸出電壓仿真波形，在突然加給定時，速度調節(jié) 器的比例環(huán)節(jié)馬上反應輸出成比例地放大輸入，隨著轉速反饋的增大，速度調節(jié)器的輸出減小，最終穩(wěn)定。在第 3秒時磁場突然減半，轉速大大的上升，速

19、度調節(jié)器輸出為負值，隨后穩(wěn)定。圖4.5 ACR輸出電壓仿真波形如圖4.5所示，加上給定后，速度調節(jié)器迅速飽和，電流調節(jié)器的給定值 即為速度調節(jié)器的飽和值，由于電流調節(jié)器也為PI調節(jié)器，所以也具有同速度調節(jié)器一樣的特征，在此不再贅述。第 1.5秒時，加入的電網(wǎng)電壓擾動被電流 環(huán)很好的抑制了。在第3秒時磁場突然減半，先是速度調節(jié)器輸出為負，既而 電流調節(jié)器輸出為負，最終穩(wěn)定。如圖4.6所示，系統(tǒng)速度和電流總圖，當系統(tǒng) 1.5秒受電網(wǎng)電壓干擾時， 系統(tǒng)很快就能達到穩(wěn)定狀態(tài)，本系統(tǒng)干擾源用一個階躍函數(shù)當在1.5秒時電壓突然上升，系統(tǒng)通過反饋調節(jié)最后穩(wěn)定轉速和電流。當在3秒時磁場突然減半速度迅速上升然后

20、又經(jīng)過反饋速度最后穩(wěn)定在磁場沒減半之前的轉速，這時電 流也下降經(jīng)過一系列反饋調節(jié)電流穩(wěn)定到之前的電流值。圖4.6起動轉速與起動電流仿真總波形5心得體會通過這次設計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計。具體的說， 第一，了解了調速的發(fā)展史的同時，進一步了解了交流調速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展 潛力，掌握了這一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，了解了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的 基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三，基本掌握了 ASR ACR（速度、電流調 節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標在結構上的選取，包括其參數(shù)的計算； 第四，運用MATLA的真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行的仿真，與此 同時，進一步熟悉了 MATLAB勺相關功能，掌握了其使用方法。平時看課本時， 有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記 住很多東西。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真 理的唯一標準。本課程設計綜合運用了自動控制原理、電力電子技術、電力拖動與控制技 術等的知識，為了更好的完成設計，我又重新復習了一遍原來所學的知識，加 深了對知識的理解，提高了對知識的應用能力，同時使我認識到了各個課程之 間是