电力传动控制系统课程设计报告.doc

转速电流双闭环直流调速系统 -基于MATLAB的仿真实验 组员：王勇 （201110231067）朱海 （201110231057）艾合麦提江（201110231066）王志刚 （20110231062） 学院： 物流工程学院专业： 电气工程及其自动化班级： 电气112班 目录一、前言3二、课程设计的目的及内容32.1-课程设计的目的32.2-课程设计的内容3三、参数的选取与计算4四、MATLAB仿真64.1 开环直流系统的仿真64.2 转速单闭环系统的仿真94.3电流、转速双闭环系统的仿真124.3.1基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真134.3.2基于Power System模块的双闭环直流调速系统仿真15五、课程设计心得体会20一、前言在单闭环的系统中，由于不能随心所欲的控制电流和转速的动态过程，因此不适用与要求调速性能较高的场合。为了使系统在启动、制动的动态过程中，在最大的电流约束下，获得直流电动机最佳速度调节过程，就引入了转速 、电流负反馈双闭环直流调速系统,使得在电动机起动时转速调节器(ASR)饱和, ASR不起作用 ,电流环调节器 (ACR)起主要作用 , 用以调节起动电流并使之保持最大值,使得转速线性变化,迅速上升到给定值 ;在电动机稳定运行时 , ASR退出饱和状态,开始起主要调节作用 , 使转速跟随给定信号变化 ,电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。但是 , 双闭环直流调速系统硬件的电气结构复杂 ,在研究和设计的过程中 ,许多参数的选择需要反复调试 , 需要我们花费大量的时间和精力。而运用计算机仿真技术对系统进行仿真 , 可以方便地对参数进行设置 ,得到合理的参数组合,为系统的实现提供理论依据 。鉴于上述理由 ,本文提出种面向控制系统电气原理结构图的转速 、电流双闭环不可逆直流调速系统仿真的新方法 。使用 Matlab/Simulink中的 SimPowerSystems工具箱,用户不需要自己编程且不需推导系统的动态数学模型, 只需要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件 ,按电气系统的结构进行连接即可。系统的建模过程接近实际系统的搭建过程,且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际元件的电气特性,仿真结果的可信度很高,而且由于仿真模型是图形化的 ,面向对象的,非常适合本次课程设计的研究。二、课程设计目的及内容2.1课程设计的目的参照课本P104例3-6，以及结合给定的三道例题的参数，设计电流调节器ACR和转速调节器ASR，使其满足 (1) 静态指标：调速范围，静差率。(2) 动态指标：电流和转速的超调量均小于5%（可按10%计算），转速上升时间小于0.5秒，动态恢复时间小于1秒，振荡次数小于23次。2.2设计内容 (1) 计算转速电流双闭环直流调速系统的基本参数（三相交流电源、直流电动机、平波电抗器等）。 (2) 按照先内环、后外环的设计原则，设计双闭环系统的电流调节器ACR和转速调节器ASR（工程设计法）。 (3) 在MATLAB/SIMULINK软件平台上构建仿真模型，并对调速系统进行模拟实验，研究参数变化对系统性能的影响。三、参数的选取与计算根据课本中P104页给出的例题以及老师给定的三道例题我们可以知道：电动机额定参数为：额定电压UN=220V, 额定电流IN=100A, 额定转速nN=1460r/min, Ke=0.132Vmin/r, 三相桥式电路中KS=40, Ts=0.18s,电枢回路总电阻为R=0.5，电磁时间常数Tl=0.03s,转速反馈系数为Kn=0.007Vmin/r,转速滤波时间常数Ton=0.01s，电流反馈系数Ki=0.05V/A,电流滤波时间常数Toi=0.002s, GD2=22.5Nm, 励磁电压Uf=220V,，励磁电流If=1.5A,平波电抗器的电感为Ld=10mH。由以上的数据我们可以推算出：为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感Ls=0H，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse）的控制角（alpha_deg）由移相控制信号Uc决定，移相特性的数学表达式为在本模型中取min=30，Ucmax=10V，所以=90-6Uc。在直流电动机的负载转矩输入端TL用Step模块设定加载时刻和加载转矩。由公式： Ke=Un-In*RanN 得到：电机的内阻为：Ra=Un-nN*KeIn=220-14600.132100=0.273（）所以整流器的内阻为：Rrec=R-Ra=0.5-0.273=0.227（）。供电电源电压为： U2=Un+RrecIn2.34cosmin=220+0.2271002.34cos30=120（V）电动机的参数有：励磁电阻为： Rf=Uf/If=220/1.5=146.7（）,励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。电枢电感有下式估算出： La=19.1CUn2p*nN*In=19.10.4220221460100=0.0029（H）电枢绕组与励磁绕组之间的互感： KT=60Ke/2=600.132/2=1.26（s） Laf=KT/If=1.26/1.5=0.84(H)电机的转动惯量为：J=GD2 /4g=22.5/(49.81)=0.57（kgm2）额定负载转矩： TL=KTIN=1.26100=126（Nm）电流调节器ACR参数的计算：电流环时间常数之和 T1=Ts+Toi=0.00167+0.002=0.00367（s）ACR的传递函数为，其中时间常数ti=Tl=0.03s,比列系数Kpi=ti*R2T1*Ks*Ki=0.030.520.0036740005=1.02积分系数 Kii=Kpi/ti=1.02/0.03=34转速调节器ASR参数的计算：电流环等效时间常数 2Ti=20.00367=0.00734s转速环时间常数之和Tn=2Ti+Ton=0.00734+0.01=0.01734sASR的传递函数为，其中时间常数tn=h*Tn=50.01734=0.0867s比列系数Kpn=h+1Ki*Ke*Tm2h*Kn*R*Tn=60.050.1320.18250.0070.50.01734=11.745 积分系数 Kin=Kpn/tn=11.745/0.0867=135.47（选择中频段宽度）综合上述的数据我们得到如下一张表格：模块参数名参数三相电源（Three-Phase Source）Phase-to-pahse rms voltage/V120Phase angle of phase A/degrees0Frequency/Hz50Internal connectionYgSource resistance/0.001Source inductance/H0直流电动机（DC Machine）电枢电阻0.27电枢电感0.0029励磁电阻146.7励磁电感0电枢绕组与励磁绕组间互感0.84转动惯量0.57额定负载转矩负载转矩N.m126平波电抗器（Inductance）电感0.01机电时间常数0.18电磁时间常数0.03UCR失控时间0.00167电流调节器（ACR）kpi =1.02 kii =34.1转速调节器（ASR）kpn =11.745 kin =135.47四、MATLAB仿真4.1开环直流系统的仿真开环直流调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器供电，通过改变触发器移相控制信号调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。图1 开环直流调速系统电气原理图图2 直流开环调速系统的仿真模型根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s，仿真时间为5.0s，直流电机空载启动，在2.5s后加额定负载TL=126N.m，得到以下曲线：A、直流开环调速系统的输出转速波形：电机空载启动，转速在0.5秒左右几乎为直线上升，之后便缓慢的增加，最终在2255r/min达到稳定，在2.5s时加上额定负载126N.m，转速立即下降，最后稳定在1430r/min。B、直流开环调速系统的输出电流波形：电机空载启动，启动电流很大，达到350A，启动后由于是空载所以消耗的电流小，于是电流最后降低并稳定在0A，在2.5s时加上额定负载后电流上升最终稳定在100A。C、励磁电流的波形由于励磁电压一定，并且电机的阻抗看做只有电阻阻抗，感抗和容抗视为0，所以其励磁电流为常数1.5A。D、电机的输出转矩的波形由于电机的转矩和电机的电流成正比，所以电机输出的转矩波形和电机电流的波形十分相似，只是比例大小不一样。4.2转速单闭环直流系统的仿真带转速负反馈的有静差直流调速系统的电气原理如图4所示，系统由转速给定环节、转速调节器ASR（放大器）、移相触发器GT、晶闸管整流器UCR和直流电动机M和测速发电机TG等组成。图3 转速闭环直流调速系统电气原理图图4转速闭环直流调速系统的仿真模型转速负反馈有静差直流调速系统的仿真模型如图4所示，模型在图2开环调速系统的基础上，增加了转速给定，转速反馈n-feed、放大器Gain和反映放大器输出限幅的饱和特性模块Saturation，饱和限幅模块的输出是移相触发器的控制电压，转速反馈直接取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数。根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s，仿真时间为5.0s，直流电机空载启动，在2.5s后加额定负载TL=126N.m，得到以下曲线：A、 输出转速波形：由曲线知，电机空载启动是，电机转速直线上升，当达到额定转速时便稳定，为1460r/min，在2.5s时给电机加上额定负载，之后电机的转速便迅速下滑、振荡稳定在1392r/min左右。B、输出电流波形：波形与开环时的电机电流波形很相似，只是在加入额定负载后，电机的电流先上升，最后稳定振荡在100A。C、励磁电流的波形和开环直流调速系统一样。D、电机的输出转矩的波形由于电机的转矩和电机的电流成正比，所以电机输出的转矩波形和电机电流的波形十分相似，只是比例大小不一样。4.3转速电流双闭环直流调速系统的仿真转速电流双闭环直流调速系统的电气原理如图7所示，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。图5转速电流双闭环直流调速系统的电气原理图双闭环直流调速系统的仿真可以依据系统的动态结构图（图8a）进行，也可以用SIMULINK的Power System模块来组建。两种仿真的不同在于主电路，前者晶闸管和电动机用传递函数来表示，后者晶闸管和电动机使用Power System模块，而控制部分则是相同的。下面对这两种方法分别进行介绍。4.3.1 基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真双闭环直流调速系统的实际动态结构图如图6b所示，它与图6a的不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。这是因为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。这样的滤波环节的传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数可按需要选定，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同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。同样，由测速发电机得到的转速反馈电压信号含有换向纹波，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。a)b)图6 转速电流双闭环直流调速系统的动态结构图依据系统动态结构图的仿真模型如图7所示，仿真模型与系统动态结构图的各个环节基本上是对应的。需要指出的是，双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器，过程如下：线性PI调节器的传递函数为式中，为比例系数，为积分系数，时间常数。上述PI调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK中的传递函数或零极点模块，而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图8所示。模型中比例和积分环节分为两个通道，其中积分模块Integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。图7 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型图8 带饱和和输出限幅的PI调节器根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s，仿真时间为2s，直流电机空载启动，在1s后加额定负载TL=126N.m，得到以下曲线：电流I和转速N 的波形分别如下（上为电流，下为转速）图9转速电流双闭环直流调速系统仿真模型的转速和电流波形4.3.2基于Power System模块的双闭环直流调速系统仿真采用SIMULINK的Power System模块组成的转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图10所示，模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速、电流调节器组成的控制电路两部分构成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制和电动机等环节使用Power System模型库中的模块。控制电路的主体是转速和电流两个调节器，以及反馈滤波环节，这部分与前述基于动态结构图的双闭环系统仿真相同。将这两部分拼接起来即组成晶闸管-电动机转速电流双闭环控制的直流调速系统的仿真模型。模型中转速反馈和电流反馈均直接取自电机测量单元的转速和电流输出端，这样减少了测速和电流检测环节，但并不影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端接移相特性模块（Shifter）的输入端，而ACR的输出限幅值就决定了控制角的（）和（）。图10 基于Power System的双闭环直流调速系统仿真模型应该注意，图10与图7仿真模型的不同在于以晶闸管整流器和电动机模型取代了动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传递函数，由于动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传动函数是线性的，其电流可以反向，因此转速调节过程要快一些，而实际的晶闸管整流器不能通过反向电流，所以仿真的结果略有不同，采用晶闸管整流器和电动机模型的仿真可以更好地反映系统的工作情况。根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s，仿真时间为5s，直流电机空载启动，在2.5s后加额定负载TL=126N.m，得到以下曲线：A、 电机的输出转速波形：电机空载启动最终在1583转/min稳定，当2.5s时加上额定负载后，电机转速迅速下降，后又上升稳定至1150r/min。由图可知，其调节时间比较长，约为1.1s，不是很符合要求，于需要后面的调整。B、 电机电流的波形C、电机的励磁电流波形与开环和单闭环的励磁电流波形一样，其理由见开环。D、 电机输出转矩的波形：改变调节器ASR、ACR参数，取，；，可见转速、电流的仿真结果基本满足设计指标的要求。A、 电机的输出转速波形为：B、 电机的电流波形为：C、电机的励磁电流波形：D电机的输出转矩的波形：在选取的参数的情况下，我们得到上面的四幅电机相关波形，根据波形我们也可以估算出电流和转速的超调量，以及调节时间等等需要算出的参数：转速超调量：=丨（1090-1150）丨/1150100%5.2%电流超调量：=（141-133.3）/133.3100%5.8%转速上升时间约为0.5秒，动态回复时间为0.9秒，振荡次数为2次五、课程设计心得体会经过一周的课程设计，我们终于在规定的时间内完成了任务。通过MATLAB实验仿真做出了符合调试要求的曲线。在这次的课程设计中不仅检验了我们所学习的知识，也培养了我们如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设