單閉環(huán)控制系統(tǒng)設計及仿真

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 單閉環(huán)控制系統(tǒng)設計及仿真 班級 電信2014 姓名 張慶迎 學號 9摘要 直流調速系統(tǒng)具有調速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(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上，本文設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能

2、指標進行了實驗測試，表明所設計的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行計算機輔助設計，并用SIMULINK進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設計的調速系統(tǒng)是否可行。關鍵詞 直流電機 直流調速系統(tǒng) 速度調節(jié)器 電流調節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) 1、 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理1、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹單閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉速(電壓)低于給定值,速度調節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調節(jié)器的輸出電壓

3、作為電流給定值送入電流調節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉電流)可以通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉速上升到給定轉速后, 速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調節(jié)開始起作用。2、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖11所示。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

4、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)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。圖11 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)其中：ASR-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 UPE-電力電子變換器 -轉速給定電壓 Un-轉速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性圖12雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖分析靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。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，除非有反向的輸入信

5、號使調節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總為零。 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，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差,這時,轉速負反饋起主要的調節(jié)作用,但負載電流達到時,對應于轉速調節(jié)器的飽和輸出 ,這時,電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動保護.這就是采用了兩個PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性

6、的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖13中虛線。圖13 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性4、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)數(shù)學模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關內容。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓Ua0的關系為：其中：A-整流器系數(shù)； -整流器輸入交流電壓； -整流器觸發(fā)角；-觸發(fā)器移項控制電壓；K-觸發(fā)器移項控制斜率；整流與觸發(fā)關系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K=。繪制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如下：圖14 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖二、系統(tǒng)設計方法及步驟1、系統(tǒng)設計的一般原則: 概念清楚、易懂； 計算公式簡

7、明、好記； 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調整的方向； 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式； 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。參數(shù)： 晶閘管裝置放大倍數(shù) 時間常數(shù)： 2、電流環(huán)設計（1） 確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)：。電流反饋濾波時間常數(shù)：電流環(huán)小時間常數(shù)之和：（2） 選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求：，保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，所以把電流調節(jié)器設計成PI型的。檢查對電源電壓的抗擾性能，各項指標都可接受。所以電流調節(jié)器傳遞函數(shù)為：。 （3） 選擇電流調節(jié)器參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：電流反饋系數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益

8、：要求時，取，因此 所以， 。 因此：（4）計算調節(jié)器電阻和電容調節(jié)器輸入電阻 ，各電阻和電容值計算如下： uF uF 按上述參數(shù)，查表知，電流環(huán)可達到動態(tài)跟隨性能指標：3、轉速環(huán)設計（1） 確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)： 轉速濾波時間常數(shù)： 轉速換小時間常數(shù)： （2） 選擇電流調節(jié)器結構按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負載擾動點后已經有了一個積分環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)轉速無靜差,還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設計要求，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設計PI調節(jié)器。所以轉速調節(jié)器傳遞函數(shù)為：。（3） 選擇轉速調節(jié)器參數(shù)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：轉速環(huán)開

9、環(huán)增益為： 轉速反饋系數(shù)：于是求的ASR的比例系數(shù)為： 因此：（4） 計算調節(jié)器電容和電阻調節(jié)器輸入電阻 ，則 三、Matlab和Simulink簡介1、Matlab簡介MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成

10、在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。2、Simulink簡介（1）簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和的復雜仿真和設計。同時

11、有大量的和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。（2）功能Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個，被廣泛應用于、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真

12、結果。 Simulink®是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。. 四、Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結果及分析1單閉環(huán)有靜差轉速負反饋調速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)有靜差轉速負反饋調速系統(tǒng)的仿真模型：單閉環(huán)有靜差轉速負反饋調速系統(tǒng)的仿真結果：轉速.分析：圖中是的仿真圖形，減小，超調量隨著減小，但靜差越大；增大，靜差隨著減小，但還是很大，同時振蕩也越劇烈。2、單閉環(huán)無靜差轉速負反饋調速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)無靜差轉速負反饋調速系統(tǒng)的仿

13、真模型：單閉環(huán)無靜差轉速負反饋調速系統(tǒng)的仿真結果： 轉速分析：若調節(jié)器參數(shù)是：，系統(tǒng)轉速的響應無超調，但調節(jié)時間很長；若是 系統(tǒng)轉速的響應的超調較大，但快速性較好。和比例調節(jié)器相比，比例積分調節(jié)器能很好的消除靜差。六、總結 通過對電流環(huán)、電壓環(huán)、轉速環(huán)等的設計，利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink，對所設計的電流環(huán)和轉速環(huán)的階躍信號進行了仿真計算，很容易繪制出各單位擾動曲線，并計算出階躍擾動響應性能指標，從階躍擾動響應曲線及其指標得出:對擾動信號，該系統(tǒng)具有很強的抗擾性能。 由仿真計算結果表明，利用MATLAB的simulink對各調速系統(tǒng)進行仿真設計，可以迅速直觀地分析出系統(tǒng)的跟隨性能、抗擾性能及穩(wěn)定性