双闭环直流调速系统仿真(必做题).doc

Hefei University双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究姓 名 学 号 班 级 电 子 信 箱 联 系 电 话 双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究摘要: 直流电机拥有良好的转速可调性能；本文实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速电流双闭环调速系统的启动过程，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其他系统性能的影响，取得了较好的效果。利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。关键词：直流电机;调速;双闭环;PID控制;MATLAB仿真Simulation of Double Closed Loop DC Motor Drives SystemABSTRUCT: DC motor has a good speed adjustable performanceIn this paper,the design ofthe double closed loop DC motor system is presented,and the experimental results can be accurately visual observation speedthe current double closed loop speed regulation system of the start-up process for the design of variousregulator and the control strategy and analyzes its influence on the performance of the system,and good results have been achieved. Using simlink software of MATLAB and SimPowerSystems ,it is simple and manifest to simulate the system.Users can build up system model by graph,and run simulative program by pressing the menu of Simulink environment,whose result will display on the monitor.Users capability of simulation will be fortified much with the learning of powerful SIMULINK tools.Key words： DC motor；speed adjustment；double closed loop；PID control；MATLAB simulation正文：1、 引言直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速，其调速控制系统历来在工业控制具有及其重要的地位。直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是转速、电流双闭环调速系统。在当今社会，仿真技术已经成为分析、研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具，为了简便工程设计和解决设计中可能出现的问题，利用Matlab中Simulink实用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今天急需探讨的课题。双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用.由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器.调节器的设计一般包括两个方面:第一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度. 第二选择调节器的参数,以满足动态性能指标。本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用Matlab/Simulink进行仿真.2、 原理和建模2、1 基本原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，主电路采用三相桥式全控整流电路供电。速度调节器ASR、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出U*i作为ACR的给定，利用ASR 的输出限幅U*im起限制启动电流的作用；ACR 的输出Uc 作为触发器的移相控制电压 双闭环直流调速系统的电气原理结构图如图1 所示。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串联连接. 把转速调节器ASR 的输出当作电流调节器ACR 的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置GT ,TA为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边叫做外环,这样就形成了转速、电流双闭环调速系统.如图2所示： 转速环电流环 图2 直流电机双闭环调速系统的动态结构图2、2 系统建模系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分.2、2、1 主电路的建模由图1 可见，双闭环直流调速系统的主电路由三相对称交流电源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。以三相对称交流电压源为例，说明主电路各部分的建模和参数设置方法首先打开电力系统(SimPower Systems)工具箱，如图3 从电源模块组(Electrical Sources)中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为A 相、B 相、C 相；然后从连接器模块组(Connectors)中选取“Ground”元件和“BusBar”元件，将三相电源接成星形连接方式为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下：双击A 相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，A 相交流电源参数设置：幅值取220V、初相位设置成0、频率为50Hz、其它为默认值，如图4 所示 B、C 相交流电源参数设置方法与A 相相同，除了将初相设置成互差120外，其它参数与A 相相同 由此可得到三相对称交流电源采用上述原则，可分别对晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等各部分进行建模和参数设置 图3 电力系统工具箱 图4 A相电源参数设置2、2、2 控制电路的建模转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器ASR、电流调节器ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环节、速度反馈环节等同步脉冲触发器包括同步电源和6 脉冲触发器两部分6 脉冲触发器可从图2 的附加元件库(Extra Library)的子模块组控制模块(Control Blocks)获得6 脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压 同步电源与6 脉冲触发器及封装后的子系统符号如图5(a)、(b)所示( a)同步电源与6 脉冲触发器; (b)子系统符号 图5 同步触发脉冲器和封装后的子系统符号给定环节的建模. 从输入源模块组中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定环节”；然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为某个值，此处设为130 rad/s 实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，读者可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围通过对Uc 参数变化范围仿真实验的探索而知，当Uc(即图5 中3 端)在50310 范围内变化时，同步脉冲触发器能够正常工作；当Uc 为50 时，对应的整流桥输出电压最大，而Uc 为310 时对应的输出电压反而最小，它们是单调下降的函数关系为此，将限幅器的上、下限幅值设置为130，-130，用加法器加上偏置“-180”后调整为-50，-310，再经反相器转化为50，310 这样，在电流环系统内通过限幅器、偏置、反相器等模块的作用，就可将ACR 的输出限制在使同步脉冲触发器能够正常工作的范围之内 同理，可设置ASR 的上、下限幅值为40，-40速度调节器、电流调节器、限幅器、偏置、反相器等模块的建模与参数设置都比较简单，只要分别在Simulink 的Math、Nonlinear、Sources 模块库中找到相应的模块，并按要求设置参数即可两个PI 调节器的参数设置分别是：ACR：Kpi=2，i=100，上、下限幅为130，-130；ASR：Kpn=1.2，n=10，上、下限幅为40，-40 电流反馈系数设为0.1，速度反馈系数设为13、 设计、分析和论述调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统, 系统参数：直流电动机：，允许过载倍数；晶闸管装置：；电枢回路总电阻：；时间常数：，；反馈系数：，；反馈滤波时间常数：，.3、1 电流调节器的设计经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts =0. 0017s ,电流环小时间常数Ti = Ts + Toi = 0. 0067s ,电枢回路的电磁时间常数Tl = 0.018s。根据性能指标要求i 5 % , 保证稳态无误差。把电流环校正成典型I 型系统,其传递函数为:WACR ( s) =Ki (is + 1)/is式中Ki ,i 分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数. 其中i = T1 = 0. 018s ,为满足的要求,应取K1Ti = 0. 5 因此: K1 =0.5/ Ti= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系数Ki =K1i R/Ks=0.29故电流调节器的传递函数WACR (s) =0.29(0.018 s + 1)/0.018s,经过校验,满足晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满足电流环小时间常数近似处理条件,设计后电流环可以达到的动态指标i = 4. 3 % 5 %满足设计要求。3、2 速度调节器的设计电流环等效时间常数:2 Ti = 0. 0134s.转速环小时间常数: Tn = 2 Ti + Ton = 0. 0318s. 在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象. 为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调节器必须含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II 型系统,其传递函数为:WASR ( s) = Kn(ns + 1)/ns式中Kn ,n 分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数. 取中频宽h = 5 ,则ASR 的领先时间常数:n = hTn = 0. 159s ,按Mrmin 准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN =(h + 1)/2 h2 T2n= 118.67s- 1则ASR 的比例放大系数为:Kn =KNnCe TmR=( h + 1)Ce Tm/2 hRTn,则Kn =11.15.经过校验,满足电流环传递函数等效条件,也能满足转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量n = 8. 3 % 10 % 满足设计要求. 为保证电流调节器与转速调节器中的运算放大器工作在线性特性段以及保护调速系统的各个元件、部件与装置不致损坏,在电流调节器与转速调节器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为- 6+ 6.4、 仿真实验和结果分析4、1 仿真实验当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真在MATLAB 的模型窗口打开“Simulation”菜单，点击“Start”命令后，系统开始进行仿真，仿真结束后可输出仿真结果根据图6的模型，系统有两种输出方式：当采用“示波器”模块观察仿真输出结果时，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可；当采用“out1”模块观察仿真输出结果时，可在MATLAB 的命令窗口输入绘制plot(tout，yout)即可得到未经编辑的“Figure No.1”输出的图形，对“Figure No.1”图形编辑后得到的转速、电流双闭环系统仿真图形如图7所示根据原理图和上面计算出的相关参数 ,建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink 动态仿真模型，如图6所示.转速n波形图如图7所示双闭环直流调速系统的仿真模型如图8所示.图6 双闭环调速系统的模块图图7 转速n波形图 图8 双闭环直流调速系统的仿真模型4、2 结果分析从图8 仿真结果可以看出，它非常接近理论分析的波形，说明系统的建模与仿真是成功的下面对仿真的结果作一分析启动过程的第一阶段是电流上升阶段 突加给定电压，ASR 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值 第二阶段，ASR 饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长 第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为0，但是由于积分的作用，其输出还很大，所以出现超调 转速超调之后，ASR 输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定，实际结果基本上反映了这一点由仿真计算结果表明，利用MATLAB的simulink对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统调试周期，提高了开发系统效率。对于调速系统的设计，MATLAB的simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。5、 结论在转速、电流双闭环直流调速系统建模与仿真结束之际，将建模与仿真参数设置的一些原则和方法归纳如下：1) 系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行2) 在进行参数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置(固有环节)的参数设置原则是：如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话框中的有关参数应取该装置的实际值；如果是不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真 若仿真结果理想