基于调速系统调节器设计及恒负载扰动下电流环突然断线matlab仿真毕业论文.doc

目录摘要21 设计任务与分析 31.1设计任务 31.2任务分析 32 设计原理 42.1双闭环系统简介 4 2.1.1双闭环系统的组成 42.1.2 双闭环系统原理图 42.1.3双闭环系统稳态结构图 52.1.4双闭环系统动态结构图 52.1.5转速调节环作用 52.1.6电流调节环作用 62.2调节器的工程设计方法 63.系统调节器设计 73.1 转速、电流调节器设计 73.2电流环设计 83.2.1电流环结构设计 83.2.2电流环参数设计 103.3转速环设计 123.3.1转速环结构设计 12 3.3.2转速环参数设计 144.matlab仿真164.1启动电流启动转速仿真波形 174.2直流电压仿真波形184.3 asr输出电压的仿真波形 194.4 acr输出电压的仿真波形 19总结 20参考文献 211 摘要 转速、电流反馈控制的双闭环直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用pi调节器。调速系统设计的任务主要是合理地选择调节器的结构和参数，以使系统的性能指标满足生产工艺的要求。 本课程设计根据设计任务书的要求来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该系统的原理图、稳态结构图和动态结构图；对调节器进行工程设计，确定调节器的参数等；最后采用matlab对双闭环系统进行仿真计算。关键词：双闭环系统 电流调节器 转速调节器 matlab仿真调速系统调节器设计及恒负载扰动下电流环突然断线matlab仿真1 设计任务与分析1.1 设计任务不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。系统基本数据如下：直流电动机：=220v，=136a，=1460r/min，=0.132vmin/r，允许过载倍数=1.5；时间常数：=0.03s =0.18s；晶闸管放大倍数：=40电枢回路总电阻：r=0.5；电流反馈系数=0.049v/a(10v/1.5);转速反馈系数：=0.00685v min/r（10v/）设计要求稳态指标：在负载和电网电压的扰动下稳态无静差。动态指标：电流超调量5%，空载启动到额定转速时的转速超调量10%。1.2 任务分析 用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。2 设计原理2.1双闭环系统简介2.1.1双闭环系统的组成为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。两者之间实行嵌套（或称串级）连接如图2-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器upe。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。2.1.2双闭环系统原理图图2-1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图asr转速调节器 acr电流调节器 tg测速发电机ta电流互感器 upe电力电子变换器 转速给定电压转速反馈电压 电流给定电压 电流反馈电压2.1.3 双闭环系统稳态结构图图2-2 双闭环系统稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数acr电流调节器 asr转速调节器2.1.4 双闭环系统动态结构图图2-3 双闭环系统动态结构图2.1.5 转速调节环作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用pi调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.1.6 电流调节环作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）对转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的2.2调节器工程设计方法现代的电力拖动自动控制系统，除电动机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统可以近似为低阶系统，而用运算放大器或微机数字控制可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统做比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多，这就是工程设计方法。调节器工程设计方法所遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。如果要求更精确的动态性能，在典型系统设计的基础上，利用matlab或simulink进行计算机辅助分析和设计，也可设计出实用有效的控制系统。作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分作两步：第一步，先选择调节器的结果，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。以上两步就把稳、准、快、抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳态性的稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其他动态性能指标。控制系统的开环传递函数都可以表示成 （2-1）分母中的sr项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（r=0），至少是型系统（r=1）；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统（r=2）才能实现稳态无差。选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于型（r=3）和型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把型和型系统作为系统设计的目标。3 系统调节器设计3.1 转速、电流调节器设计转速、电流双闭环系统的动态结构图如图3-1所示：图3-1 双闭环系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.2 电流调节器设计3.2.1 电流调节器结构设计图3-1所示虚线框内是电流环的动态结构图。其中，反电动式与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动式与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图3-2（a）所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： （3-1）式中 电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图3-2（b）所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为 （3-2）则电流环结构框图最终简化成图3-2（c）所示。简化的近似条件为 （3-3）图3-2电流环的动态结构图及其化简（a）忽略反电动势的动态影响 （b）等效成单位负反馈系统 （c）小惯性环节近似处理3.2.2 电流调节器参数设计（1）确定时间常数：整流装置滞后时间常数，查表得三相桥式全控整流电路的平均失控时间=0.0017s。电流滤波时间常数，三相桥式全控整流电路每个波头时间为3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。（2）选择电流调节器结构：根据设计要求，并保证电流无静差，可按典型i型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用pi型电流调节器，其传递函数为： （3-4）检查对电源电压的抗扰性能：，参看表3-2的典型i型系统动态抗扰性能，各项指标均可接受。（3）计算acr参数：电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：于是，acr比例系数：（4）电流环校验近似条件电流环截止频率为： 1检验晶闸管整流装置传递函数近似条件： 满足近似条件2检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 满足近似条件3校验电流环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件（5）计算电容电阻图3-3电流调节器acr电路图按所选放大器取，各电阻和电容计算如下：按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为3.3 转速调节器设计3.3.1 转速调节器结构设计用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图3-4（a）。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （3-5）则转速环结构图可简化成图3-4（b） a）b）c）图3-4转速环的动态结构框图及其简化（a）用等效环节代替电流环 （b）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理 （c）校正后成为典型型系统为了实现无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，由于扰动作用点后面已经有一个积分环节，因此转速环中就有两个积分环节，应该设计为典型型系统，asr也采用pi调节器，传递函数为 （3-6）式子中为转速调节器比例系数，为转速调节器超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为： （3-7）令转速环开环增益为： （3-8）按照典型型系统的参数关系，有 （3-9） （3-10）所以 （3-11）一般取h=5。3.3.2转速调节器参数设计（1）确定时间常数：1电流环等效时间常数。取 2转速滤波时间常数3转速环小时间常数（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用pi调节器，其传递函数见公式（3-6）。（3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则asr的超前时间常数为开环增益asr比例系数（4）校验近似条件转速环截至频率1电流环传递函数简化条件： 满足简化条件2转速环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件（5）计算电阻电容 含给定滤波与反馈滤波的pi型转速调节器如图3-5所示。图3-5含给定滤波与反馈滤波的pi型转速调节器取，则 （6）校核转速超调量当h=5时，查表得，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，asr饱和，不符合线性系统的前提，应该按asr退饱和时的情况重新计算。查表得，, 满足空载启动到额定转速时的超调量要求。4 matlab仿真采用matlab对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（）稳定运行时电流环突然断线仿真框图如下图4-1所示。图4-1双闭环系统仿真模型图4.1启动电流启动转速仿真波形空载启动，2s时达到额定转速，4s时电流环断线。转速和电流波形如图4-2所示：图4-2 转速和电流波形图1 02s:空载启动，电流上升阶段电流很快达到最大值，asr很快进入饱和状态。恒流升速阶段asr始终是饱和的，转速环相当于开环，电流基本恒定，转速则呈线性增长。转速调节阶段当转速上升到给定值时，asr输入偏差为零。转速超调后，asr输入偏差为负，开始退饱和，系统转速和电流逐渐稳定下来。 2 24s:进入第2秒时，突加恒定负载，电流迅速上升，此时转速下降，后又趋于额定转速1460r/min保持不变，而此时电流也下降为额定电流136a保持不变。3 4s后：进入第4秒时，电流环断线，acr没有电流反馈环节，电流很快增加，转速反馈增大，asr输出减小，使acr输入增大，转速反馈减小，与给定偏差增大，asr输出增大，acr输入增大，转速反馈增大，依次这样震荡。转速和电流超调量计算：转速超调量，满足动态指标。电流超调量，满足动态指标。4.2 直流电压ud仿真波形直流电压的仿真波形如图4-3所示：图4-3 直流电压波形计算得acr饱和输出的临界值为ucm=6.8v，为了看到4s后的振荡波形，所以设定 acr调节器的饱和输出电压设为ucm=7.0v（略大于临界值），所以电力电子器件整流后的直流电压ud还有最大值udm，所以在波形图中ud波形不能超出udm。 根据给出数据，求得，与仿真结果一致。4.3 asr输出电压仿真波形asr输出电压的波形如图4-4所示：图4-4 asr输出电压波形在起动时的电流上升阶段和恒流升速阶段asr都处于饱和状态；进入第2秒时，突加恒定负载，转速