调速系统调节器设计及变负载扰动下转速环突然断线matlab仿真111111.doc

调速系统调节器设计及变负载扰动下转速环突然断线matlab仿真任杰（太原理工大学信息工程学院，山西省太原市 030024）摘要电流、转速反馈控制的双闭环调速系统是静动态性能优良、应用最广的直流调速系统。对于经常正反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素，而电流转速双闭环系统可以很好的解决这个问题。本次课程设计就是基于双闭环系统研究变负载扰动下转速环突然断线的情况及其matlab仿真。关键词：双闭环调速系统，matlab，转速环，电流环，突然断线1.双闭环调速系统的总体设计双闭环调速系统的设计包括系统参数的选取，给定环节和反馈环节的滤波时间常数的选择；然后是电流环和速度环的设计，通过选择结构和参数，进行校验是否满足动态性能指标，并校验近似条件是否满足；最后是对整个闭环系统的仿真，仿真分为两个阶段，变负载的扰动下的启动，稳定后转速环断线。为了同时改善系统的稳态与动态性能，提出了转速调节器ASR与电流调节器ACR串级联接的双闭环调速系统，分别调节转速和电流。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路（正常的系统中）。其原理图如图2所示：图2 双闭环调速系统原理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Toi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Ton表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入滤波时间常数为Ton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。2 参数计算2.1 电流调节器设计要是系统无静差，所以使用PI调节器矫正为典型I型系统，其传递函数为：WACRs=Ki(is+1)is （3-1）2.1.1 确定时间常数（1）整流装置的滞后时间常数TS：在该系统中整流装置采用三相桥式全控整流电路。查表可知，三相桥式电路的平均时空时间，从而可知整流装置的滞后时间常数TS=0.0017S。（2）整流滤波时间常数Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有12Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和Ti：按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2.1.2 计算电流调节器参数要是系统无静差，所以使用PI调节器矫正为典型I型系统，其传递函数为：WACRs=Ki(is+1)is （3-2）电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s。电流环开环增益：要求i5%时，取KITi=0.25，因此KI=0.250.0037= 67.57 （3-3）于是，ACR的比例系数为KiKIiRKS67.570.030.5400.050.507 （3-4）电流环限幅值为：Uct=UdmKS=CenN+IdmRKS=7.368 （3-5）2.1.3 电流环校验近似条件电流环截止频率为：wci=KI=67.57s-1（1）校验晶闸管整流装置传递函数近似条件13TS=13*0.0017s-1=196.1s-1wci 满足近似条件；（2）校验忽略反电动势变化对环动态影响的条件 满足近似条件；2.1.4计算ACR调节器的电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型调节器，如图2所示。图2 含给定滤波和反馈滤波的PI型调节器按所选放大器取，各电阻和电容计算如下：Ri=KiR0=0.50750=25.35k,取Ri=25k （3-7） （3-8）按上述参数，电流环设计可以满足要求。2.2 转速调节器设计2.2.1 确定时间常数（1）电流等效时间常数：，。（2）转速滤波时间常数：（3）转速环小时间常数： （3-9）（4）取h=5，ASR的超前时间常数为：，ASR的比例系数为： （3-10）2.2.2 转速环校验近似条件转速环截止频率为： （3-11）（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2.2.3 计算ASR调节器的电阻和电容给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器，如图3所示。取，则，取580图3 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器 （3-12） （3-13）2.2.4 校验ASR调节器的超调量当h=5时，查表得到 ，这是突加阶跃给定时，ASR饱和而得出的超调量，当ASR退保和以后有： （3-14）满足空载启动到额定转速时的超调量要求。3系统仿真与分析系统仿真分为有ACR限幅和无ACR限幅两种情况，都是研究变负载扰动情况下的转速环突然断线的情况。在有ACR限幅值时对ACR的saturation部分输入限幅值，然后进行仿真，在无ACR限幅值时对ACR的saturation部分恢复默认即无穷大或者输入一个比限幅值大得多的数，然后进行仿真。通过仿真得出起动转速，起动电流，直流电压Ud，ASR、ACR输出的电压波形，并对结果进行分析。3.1仿真结果及波形根据所求参数，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图3-1为双变换直流调速系统（Idn）稳定运行时转速环突然断线的仿真框图（为了能更清晰的看清各波形，我在直流电压、ASR、ACR输出点各接一示波器）。对于各个环节的参数前面都已经设置好，只需在仿真时每个环节输入所得数值即可，另外ACR的saturation部分不能用题设给的10v，应该自己另行计算，根据公式计算得到正确的限幅值应为7.368v和-7.368v，此即为ACR限幅时的限幅值。参数设置如下：1) Id=0.308n，各参数设置按上面计算值设置；2) 转速环在2s的时候断线；图3-1 直流双闭环调速系统变负载扰动转速环突然断线MATLAB仿真框图仿真原理图中，阶跃输入和乘法器是用来模拟突然转速环断线的，它作用的开始时间为2s，即系统运行2s时阶跃信号源会给乘法器一个信号，从而使得乘法器的输出为0，相当于转速环断开。由于该系统是变负载扰动（Idn），所以我给了一个变信号充当变负载扰动，这样可以使得输出的波形达到额定值。由于加入了ACR的限幅环节，可以使得电流的超调得到限制，先把ACR的限幅值设为默认，即无穷大，仿真得到波形，此波形及无ACR限幅值时的波形；经过计算，ACR的最大值应为7.368，在saturation模块分别输入7.368和-7.368，然后进行仿真，得到有ACR限幅值时的波形，通过比较发现两个波形有较大区别，由此可见ACR限幅在系统中是很重要的，同时调节ACR环节的限幅，得到一个最佳值，现将两种情况下由仿真得到的波形列于下。3.1.1无ACR限幅值当系统无ACR限幅值时，通过仿真可得起动转速，起动电流，直流电压Ud，ASR，ACR输出电压波形如图所示：图3-2 起动电流，起动转速波形图3-3 ASR输出电压图3-4 ACR输出电压图3-5直流电压输出3.1.2有ACR限幅值当系统有ACR限幅值时，通过仿真可得起动转速，起动电流，直流电压Ud，ASR，ACR输出电压波形如图所示：图3-6 起动电流，起动转速波形图图3-7 ASR输出电压图3-8 ACR输出电压图3-9 直流电压输出3.2仿真结果分析 当无ACR限幅值时，转速会在00.6秒时稳定上升，其后保持1460r稳定不变，在2s转速环突然断线后，转速开始上升，并且一直上升；启动电流在转速上升期间和转速稳定期间分别稳定在两个不同的稳定值，当2s转速环突然断线时，电流上升，到某个值时又保持稳定。ASR输出电压在启动时瞬间上升到125v左右，然后开始降落，0.6s左右时降到最低点开始保持稳定，在2s转速环断线时跳变到125v，其后保持稳定；ACR输出电压经过调整后稳定在6.5v左右，在2s转速环断线时瞬间升高其后经负反馈调节降低到最低值开始缓慢上升；直流电压波形和ACR基本相似，区别仅仅在数值上。当有ACR限幅时，转速会在00.6秒时稳定上升，其后保持1460r稳定不变，在2s转速环突然断线后，转速开始上升，当上升到某一点时保持稳定；启动电流在转速上升期间和转速稳定期间分别稳定在两个不同的稳定值，当2s转速环突然断线时，电流上升，然后开始下降，当下降到某个点时开始保持稳定；ASR输出电压与无ACR限幅时相同；ACR输出在正常启动时和无ACR限幅时相同，当在2s转速环断线时输出电压瞬间上升，然后下降，在继续上升的时候曲线比无ACR限幅时平缓，且上升到10v时开始稳定；直流电压输出在正常启动时也和无ACR限幅时相同，当在2s转速环断线时输出电压瞬间上升到290v左右并保持稳定。参考文献1 电力拖动自动控制系统：运动控制系统/阮毅，陈伯时主编4版.北京：机械工业出版社，2009.82杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，20063