轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真課程設(shè)計

1、<p>　　本 科 課 程 設(shè) 計</p><p>　　題目：轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真</p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 院 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p&

2、gt;<p>　　年 級 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2013 年 1月 11日</p><p><b>　　

3、目 錄</b></p><p>　　摘要............................................................................................................................................3</p><p>　　設(shè)計的題目及任務(wù)..........

4、..................................................................................................3</p><p>　?。ㄒ唬└攀?............................................................................................

5、.............................3</p><p>　　（二）仿真題目..................................................................................................................3</p><p>　?。ㄈ┮瓿傻娜蝿?wù).............

6、.............................................................................................4</p><p>　　二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成.........................................................................................

7、...4</p><p>　　三、MATLAB計算、建立及仿真...........................................................................................5</p><p>　　一）、設(shè)計思路.......................................................

8、............................................................5</p><p>　　二）、電流調(diào)節(jié)器（內(nèi)環(huán)）的設(shè)計...................................................................................5</p><p>　?。ㄒ唬╇娏鳝h(huán)各個模塊的參數(shù)設(shè)

9、置................................................................................6</p><p>　　（二）電流環(huán)在不同參數(shù)時的仿真圖形.......................................................................8</p><p>　　三）

10、、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（外環(huán)）的設(shè)計.................................................................................10</p><p>　?。ㄒ唬┺D(zhuǎn)速環(huán)各個模塊的參數(shù)設(shè)置..............................................................................11</p

11、><p>　?。ǘ┺D(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真..............................................................................................12</p><p>　　四、小結(jié)與體會..................................................................

12、....................................................13</p><p>　　參考文獻..................................................................................................................................13</p&

13、gt;<p>　　致 謝........................................................................................................................................13</p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真</p><p>&l

14、t;b>　　摘要</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜、動態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)，對于需要快速正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起動、制動過程的時間成為提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)里設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，組成串級控制。本文介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，而且用Simulink對系統(tǒng)進行仿真。</p><p&g

15、t;　　關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速、轉(zhuǎn)速、電流、Simulink</p><p>　　一、 設(shè)計的題目及任務(wù)</p><p><b>　?。ㄒ唬└攀?lt;/b></p><p>　　本次仿真設(shè)計需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)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

16、，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)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(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。</p><p><b>　?。ǘ┓抡骖}目</b></p><p>　　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)如

17、下：直流電機參數(shù)為：</p><p>　　額定電壓,額定電流；</p><p><b>　　額定轉(zhuǎn)速,，</b></p><p><b>　　允許過載倍數(shù)；</b></p><p>　　晶閘管裝置放大系數(shù)；</p><p><b>　　電樞回路總電阻；</b&

18、gt;</p><p><b>　　時間常數(shù)；</b></p><p><b>　　電流反饋系數(shù)；</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.00666Vmin/r。</p><p><b>　?。ㄈ┮瓿傻娜蝿?wù)</b></p><p>　　1）

19、用MATLAB建立電流環(huán)仿真模型；</p><p>　　2）分析電流環(huán)不同參數(shù)下的仿真曲線；</p><p>　　3）用MATLAB建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型；</p><p>　　4）分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線。</p><p>　　二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩

20、種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖1所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以

21、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(diào)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(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如：</p><p>　　圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　三、MATLAB計算、建

22、立及仿真</p><p><b>　　一）、設(shè)計思路 </b></p><p>　　設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。 </p><p>　　1、從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)。 </p><p>　　2、再按照控制對象確定電

23、流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 </p><p>　　3、電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。 </p><p>　　二）、電流調(diào)節(jié)器（內(nèi)環(huán)）的設(shè)計</p><p>　　matlab 的電流環(huán)的整體仿真模型如圖2所示： </p><p><b>　　圖2&l

24、t;/b></p><p>　　其中各模塊按題目要求設(shè)置如下圖3所示：</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　電流環(huán)各個模塊的參數(shù)設(shè)置 </p><p>　　已知題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路的參數(shù)如下：</p><p>　　直流電動機：220V，

25、136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)λ=1.5； </p><p>　　晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks = 40； </p><p>　　電樞回路總電阻：R = 0.5 Ω； </p><p>　　時間常數(shù)： Ti = 0.03s， Tm = 0.18s； </p><p>　　電流反饋系數(shù)：β = 0.05

26、 V/A ； </p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α = 0.07 V·min/r。</p><p><b>　　1、確定時間常數(shù) </b></p><p>　　1）整流裝置滯后的時間 Ts。</p><p>　　按表 1 晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）來設(shè)置，表1如下所示：</p>&

27、lt;p><b>　　表1</b></p><p>　　由表可知三相橋式電路的平均失控時間為Ts=0.00167s。 </p><p>　　電流濾波時間常數(shù)Toi。</p><p>　　由上表知道Tsmax=3.33，為了基本濾平波頭，應(yīng)有 (1~2)Toi=3.33ms,因此我們?nèi)oi=2ms=0.002s. </p>

28、<p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)之和TΣi 。按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　TΣi=Ts+Toi=0.00367s。</p><p>　　各模塊的設(shè)置（除ACR 模塊） </p><p>　　將各模塊的參數(shù)輸入圖1的電流環(huán)各模塊中即可得到圖2所示的仿真模型；</p><p><b>　　ACR 參數(shù)設(shè)置 <

29、;/b></p><p>　　ACR 的傳遞函數(shù)式為：</p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　　=Ki+Kp/s</b></p><p>　　1）電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)為：τi=Tl=0.03s。 </p><p>　　2）電流環(huán)

30、開環(huán)增益Ki：</p><p>　　Ki=KT/TΣi </p><p>　　=KT/0.00367</p><p>　　其中參數(shù)關(guān)系KT按表2如下所示：</p><p><b>　　表2</b></p><p>　　3)KT=0.5時PI傳函 W = Ki + Kp / s = 0.5/0.00

31、367 + （0.5/0.00367）/0.03s</p><p>　　= 1.0134 + 33.78 / s </p><p><b>　　同理：</b></p><p>　　KT=0.25時PI傳函 W = Ki + Kp / s = 0.5067 + 16.89 / s </p><p>　　KT=1時PI

32、傳函 W = Ki + Kp / s =2.027 + 67.567 / s </p><p>　　在Simulink模型窗口工具欄里的Simulation ——>Configuration Parameters菜單項可以更改Start time 和Stop time的值按需要分別設(shè)為0.0s 和 0.05s或0.1s。</p><p>　　電流環(huán)在不同參數(shù)時的仿真圖形</

33、p><p>　　KT=0.25時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　=0.5067 + 16.89 / s，</p><p>　　按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如右圖4所示：</p><p>　　其超調(diào)量σ=0%，即無超調(diào)量。</p><p><b>　　圖4<

34、/b></p><p>　　KT=0.39時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　=0.79 + 26.35 / s，</p><p>　　按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如右圖5所示：</p><p>　　其超調(diào)量 滿足σ≦1.5% 。 </p><p><b&g

35、t;　　圖5</b></p><p>　　KT=0.5時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　=1.0134 + 33.78 / s，</p><p>　　按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如右圖6所示：</p><p>　　其超調(diào)量 滿足σ≦4.3% 。 </p><p

36、><b>　　圖6</b></p><p>　　KT=0.69時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　=1.4 + 46.62 / s，</p><p>　　按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如右圖7所示：</p><p>　　其超調(diào)量 σ≦9.5% 較大。</p&g

37、t;<p><b>　　圖7</b></p><p>　　KT=1時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　=2.027 + 67.567 / s，</p><p>　　按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如右圖8所示：</p><p>　　其超調(diào)量 滿足σ≦16.3%

38、。 </p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　總結(jié)：從以上各電流環(huán)的圖形得出KT越大時上升時間越快，但同時超調(diào)量也比較大，當(dāng)KT=0.5時，各項動態(tài)參數(shù)較合理。</p><p>　　三）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（外環(huán)）的設(shè)計</p><p>　　matlab 的轉(zhuǎn)速環(huán)的整體仿真模型如圖9所示：</p>

39、;<p><b>　　圖9</b></p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)各個模塊的參數(shù)設(shè)置 </p><p>　　由電流環(huán)的仿真知電流環(huán)的參數(shù)取KT=0.5時超調(diào)量滿足綜合條件，電流環(huán)模塊的值保持不變。</p><p><b>　　確定時間常

40、數(shù)</b></p><p>　　1）電流環(huán)的等效時間常數(shù) 1/Ki。由上面可知取 KiTΣi = 0.5，則</p><p>　　1/Ki = 2TΣi = 0.0074s</p><p>　　轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) Ton=0.01s ；</p><p>　　3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)TΣn=1/Ki+Ton=0.0174s；</p&

41、gt;<p>　　2、除去電流環(huán)各模塊按圖10所示編號設(shè)置如下： </p><p>　　將①框的階躍輸入將Step time設(shè)為0，</p><p>　　Initial value設(shè)為0，</p><p>　　Final value設(shè)為10；</p><p>　?。?）②框?qū)?yīng)結(jié)構(gòu)圖中的ASR模塊，由例題3-2得到的結(jié)果，其傳遞

42、函數(shù)設(shè)置為 </p><p>　　即Gain3設(shè)置為11.7，Gain4設(shè)置為134.48 ；</p><p>　　（3）③框的Saturation將其上界（upper）和下界（lower）分別設(shè)置為10和-10；</p><p>　?。?）④框的函數(shù)式為</p><p>　　α/(Tons+1) = 0.00666/(0.01s+1)

43、 ；</p><p>　?、蘅虻暮瘮?shù)式 1/Ce = 1/0.132 = 7.576 ；</p><p>　?、菘虻碾A躍信號按要求輸入：將Step time設(shè)為0，Initial value設(shè)為0；</p><p>　　空載（負(fù)載電流為0）時，階躍信號Step1的Final value設(shè)為0；</p><p>　　滿載（負(fù)載電流為136）時，

44、階躍信號Step1的Final value設(shè)為136</p><p>　?。妱訖C的額定電流為136 A）；</p><p>　　做干擾測試時，將Step time設(shè)為1，Initial value設(shè)為0，F(xiàn)inal value設(shè)為100。</p><p>　　(二)轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真</p><p>　　1、空載起動時,階躍信號Step1的F

45、inal value輸入設(shè)為0,仿真波形如圖11所示：</p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　2、滿載起動時，階躍信號Step1的Final value設(shè)為136,仿真波形如圖12所示：</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　3、抗干擾性的測試，將

46、階躍信號Step1的Step time 設(shè)置為1，將Initial value設(shè)置為0，將Final value設(shè)置為100（或其他1到136均可做干擾），其他設(shè)置不變，仿真如圖13所示：</p><p><b>　　圖13</b></p><p><b>　　四、小結(jié)與體會</b></p><p>　　這次課程設(shè)計中，在

47、Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模塊的參數(shù)設(shè)置及抗干擾性的測試時的參數(shù)問題。</p><p>　　本次課程設(shè)計讓我們對《電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)》的“轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)”有了更深的理解，對此設(shè)計加深了認(rèn)識。通過matlab的仿真，使我們對雙閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)有了直觀的印象。</p><p>　　通過對系統(tǒng)的設(shè)計，讓我們對雙閉環(huán)

48、控制系統(tǒng)各個部分都有所認(rèn)知。同時也可以通過課程設(shè)計，了解理論知識哪些方面比較薄弱，及時查漏補缺。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]洪乃剛.《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[2]阮毅.《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)