利用Matlab仿真平臺設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、設(shè)計任務(wù)及要求1、已知條件：某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)以下：直流電動機：220V、136A、1460r/min,Ce=0.132min/r,贊同過載倍數(shù)1.5。閘管放大系數(shù)：Ks=40。電樞回路電阻：R0.5。時間常數(shù)：T1=0.03s，Tm=0.18s。電流反響系數(shù)：0.05V/A(10V/1.5Inom)轉(zhuǎn)速反響系數(shù)：0.007Vmin/r(10V/nnom)2、技術(shù)要求：穩(wěn)態(tài)指標：無靜差；動向指標：電流超調(diào)量i5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10%。3、設(shè)計要求：簡述單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成和工作原理。解析所設(shè)計系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標和

2、動向性能指標。依照動向性能指標設(shè)計校正裝置。設(shè)計出系統(tǒng)的Simulink仿真模型，考據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的性能。給出所設(shè)計系統(tǒng)的性能指標：上升時間tr、超調(diào)量p%、調(diào)治時間ts、最大啟動電流Idmax、穩(wěn)態(tài)誤差ess。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理好多生產(chǎn)機械，由于加工和運行的要求，使電動機經(jīng)常處于起動、制動、反轉(zhuǎn)的過渡過程中，因此起動和制動過程的時間在很大程度上決定了生產(chǎn)機械的生產(chǎn)效率。為縮短這一部分時間，僅采用PI調(diào)治器的轉(zhuǎn)速負反響單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由電流和轉(zhuǎn)速兩個調(diào)治器進行綜合調(diào)治，可獲得優(yōu)異的靜、動向性能（兩個調(diào)治器均采用PI調(diào)治器），由于調(diào)整系統(tǒng)的主要參量為

3、轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，這樣能夠控制電網(wǎng)電壓擾動對轉(zhuǎn)速的影響。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)較單閉環(huán)對照擁有動向響應(yīng)快、抗攪亂能力強等優(yōu)點，擁有優(yōu)異的抗擾性能，它對于被反響環(huán)的前向通道上的所有擾動作用都能有效的加以控制。擁有單閉環(huán)不能夠比較的優(yōu)勢。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表示圖以以下圖1：圖1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖以以下圖2：圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動向性能指標3.1系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標為了解析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，必定先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。以以下圖3：圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖注意：在轉(zhuǎn)速調(diào)治器飽和時，相當于開環(huán)狀態(tài)，在線性段（

4、不飽和）時，才起到穩(wěn)態(tài)調(diào)治作用實質(zhì)上，在正常運行時，電流調(diào)治器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特點來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)治器飽和與不飽和兩種情況。以以下圖4：圖4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特點特點1、轉(zhuǎn)速調(diào)治器不飽和這時，兩個調(diào)治器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入誤差電壓都是零。Ui*UiId，由于ASR不飽和，Ui*Uim*，則IdIdm2、轉(zhuǎn)速調(diào)治器飽和ASR輸出達到限幅值Uim*,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對于系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時：IdUim*n0的情況。Idm，此時必定是n3.2系統(tǒng)的動向性能解析動向數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的動向數(shù)學(xué)模型以以下圖5：圖5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動

5、向結(jié)構(gòu)圖動向性能指標解析1、典型系統(tǒng)的選擇為了保證系統(tǒng)牢固性和必然的穩(wěn)態(tài)精度，多采用型和型系統(tǒng)。又由于典型一型系統(tǒng)隨從性能好，應(yīng)選擇典型一型系統(tǒng)進行下一步設(shè)計。2、動向性能指標隨從性能指標：1）上升時間tr：在典型的階躍響應(yīng)隨從過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值C經(jīng)過的時間稱為上升時間。它表示動向響應(yīng)的迅速性。圖6動向過程2）超調(diào)量：在典型的階躍響應(yīng)隨從過程中，輸出量高出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量：超調(diào)量反響系統(tǒng)的相對牢固性。超調(diào)量越小，則相對牢固性越好，即動向響應(yīng)比較平穩(wěn)。（3）調(diào)治時間ts：在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值周邊，取5%（或2%）的范圍作為贊同誤差帶，

6、以響應(yīng)曲線達到其實不再高出該誤差帶所需的最短時間，定義為調(diào)治時間。校正裝置的設(shè)計設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地漸漸向外擴展。故設(shè)計此系統(tǒng)需要的是：先從電流環(huán)下手，第一設(shè)計好電流調(diào)治器，爾后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)治系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)治器。系統(tǒng)的詳盡結(jié)構(gòu)以以下圖8：圖8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1電流環(huán)的設(shè)計如上圖8所示，內(nèi)環(huán)畫框圖部分為電流環(huán)，可依照實質(zhì)對電流環(huán)進行1簡化，結(jié)果為ct3TmTl1、確準時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Tc三相橋式電路的平均失控時間Ts0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù)Toi三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基

7、本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi3.33ms，因此取Toi2ms0.002s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)Ti按小時間常數(shù)近似辦理，取TiTsToi0.0037s。2、電流調(diào)治器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動向過程中不高出贊同值，從這個見解出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的。要校正成典型型系統(tǒng)，顯然因該采用PI調(diào)治器。依照設(shè)計要求：i，而且因此可按典型型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)治器采用PI型，其傳達函數(shù)為3、電流調(diào)治器參數(shù)的選擇ACR超前時間常數(shù)：iTl0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，應(yīng)取KITi0.5因此于是，ACR的比率系數(shù)為4、校驗近似條件電流

8、環(huán)截止頻率ciKI135.11s1（1）晶閘管裝置傳達函數(shù)近似條件：ci3Ts11196.11現(xiàn)在，3Ts30.0017ssci滿足近似條件。1（2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：3ciTmTl現(xiàn)在，3131*140.821TmTl0.180.03ssci滿足近似條件。（3）小時間常數(shù)近似辦理條件：11ci。3TsToi現(xiàn)在1111*1180.813TsToi30.00170.002ssci滿足近似條件。5、計算調(diào)治器電阻和電容電流調(diào)治器原理圖入以下圖9：圖9電流調(diào)治器原理圖按所有運算放大器取R040K，各電阻和電容值計算以下RiKiRo1.01340K40.52K,取40KCii0.031

9、06F0.75F,取0.75FRi40103Coi4Toi40.0026F0.2F,取0.2FRo4010810依照上述參數(shù)，電流環(huán)能夠達到的動向指標為：i%4.3%5%，滿足設(shè)計要求。4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計在設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)治系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。1、確準時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為2Ti0.0074s。（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton依照所用調(diào)速發(fā)電機紋波情況，取Ton0.01s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn按小時間常數(shù)近似辦理，取Tn2TiTon0.0174s2、由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)治器必定含有積分環(huán)節(jié)；又依照動態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR采用PI

10、調(diào)治器，其傳達函數(shù)為WASR(s)Knnsns13、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)治器參數(shù)按跟平易抗擾性能都較好的原則，取h5,則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益于是，ASR的比率系數(shù)為4、效驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1（1）電流環(huán)傳達函數(shù)簡化條件：cn5Ti11154.11現(xiàn)在5Ti50.0037sscn，滿足簡化條件。（2）小時間常數(shù)近似辦理條件：11cn2TiTon3現(xiàn)在，111138.75cn滿足近似條32TiTon320.00370.01件。5、計算調(diào)治器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)治器原理圖以以下圖10：圖10轉(zhuǎn)速調(diào)治器原理圖取R040K，則RnKnR011.740K468K，取470KCnn0.087106

11、F0.185F，取0.2FRn470103Con4Ton40.01106F1F，取1FR0401036、校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h5時，Cmax%81.2%；Cb而nIdnomR1360.5rmin515.2rmin，nomCe0.132因此n81.2%21.5515.20.01748.31%10%能滿足設(shè)計14600.18要求。說明：1趕忙度環(huán)上看，不能夠忽略反電勢的影響。對于電流環(huán)略。對于速度環(huán)cicn135.1s34.5s111340.82sTmTl1340.82sTmTl11條件成立，能夠忽條件不成立，不能以忽略。但考慮E(s)此后，轉(zhuǎn)速超調(diào)會更小，更能滿足設(shè)計要求。外環(huán)必然比內(nèi)環(huán)慢一般情況下

12、ct(100150)s1cn(2050)s15系統(tǒng)的Simulink仿真模型5.1仿真模型1、計算機輔助解析結(jié)構(gòu)圖將上述系統(tǒng)的參數(shù)計算值帶入系統(tǒng)中，并利用Matlab進行計算機輔助解析，其結(jié)構(gòu)圖以以下圖9：圖11仿真圖12、調(diào)治器采用抗內(nèi)環(huán)繞型（相當于調(diào)治器采用內(nèi)限幅）圖12仿真圖23、preventwindup內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖13仿真圖35.2系統(tǒng)仿真結(jié)果1、轉(zhuǎn)速波形2、電流波形3、電樞電流壓波形從圖中能夠看出，當系統(tǒng)起動時，系統(tǒng)電路的電流在很短的時間內(nèi)迅速達到200A，再經(jīng)過約0.3s開始迅速下降到0A，并保持牢固。4、電機轉(zhuǎn)速波形系統(tǒng)起動后，電機轉(zhuǎn)速迅速達到約1460r/min并保持牢固。5

13、、系統(tǒng)性能指標綜合以上波形，利用Matlab可將橫縱坐標的變化可大體讀出來：(1)上升時間：tr0.363s(2)調(diào)治時間：ts0.70s轉(zhuǎn)速最大值可達到1470rad/min，則可計算超調(diào)量6、給定與反響波形及加擾動后電流波形以下圖從上到下依次為：轉(zhuǎn)速給定與反響波形、電流給定與反響波形、加擾動后電流波形、電樞電流與給定波形、電機轉(zhuǎn)速與給定波形。參照文件陳伯時主編.自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計方法.北京：機械工業(yè)初版社.2005陸俊主編.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)初版社.2003胡壽松主編.自動控制原理.北京：科學(xué)初版社.2000陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)初版社.2003心得領(lǐng)悟本次課程設(shè)計查找了大量資料基礎(chǔ)上完成。由于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多換控制系統(tǒng)。在設(shè)計時采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的