双闭环直流调速系统仿真课程设计用.doc

精品文档1 双闭环直流调速系统的原理及组成 对于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。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可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，二者之间实行嵌套连接，如图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。从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能 ，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。 图1 双闭环直流调速系统原理图 2双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。第阶段：0t1是电流上升阶段。突加给定电压后，上升，当小于负载电流时电机还不能动；当后，电动机开始转动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因此转速调节器ASR的输入偏差电压数值仍很大其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升。直到，时，电流调节器ACR很快压制了的增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和。图2 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形第阶段：t1t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因此系统是加速度恒定，转速呈线性增长，同时电机的电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，正是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必须基本上按线性增长才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的，即应略低于。 第阶段：t2以后是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用，还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降，但是，只要仍大于转速就继续上升，直到转矩，则dn/dt=0，转速n才到达峰值，此时，此后电机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间段为，直到运行稳定。第阶段ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，ACR则力图使尽快跟随，即电流环是一个电流随动系统。总上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1）饱和非线性控制：在不同情况下表现为不同结构的线性系统。2）转速超调：按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。3）准时间最优控制：其动态过程的主要阶段是第二阶段的恒流升速，其主要特征是电流保持恒定，一般选择为电机允许的最大电流，以使充分发挥电机的过载能力，使起动最快，这个阶段是有限制条件的最短时间控制。1 直流调速系统的理论设计1.1 系统组成及要求 本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图1 所示，系统参数如下：电动机：；允许过载倍数： ；三相桥式整流装置放大倍数：；电枢回路总电阻： ；时间常数： ；，电流反馈系数：；转速反馈系数：。设计要求：（1）稳态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量，启动到额定转速时的转速超调量；1.2 电流调节器设计1：确定时间常数。（1）整流装置滞后时间常数 三相桥式电路的平均失控时间；（2）电流滤波时间常数 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应该有,因此取；（3）电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。图1直流双闭环调速系统动态结构图2：确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求：，而且 ，因此设计成典型I型系统。3：电流调节器的结构选择 电流调节器选用比例积分调节器（PI）,其传递函数为。4：选择电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：； 电流开环增益：因要求，故取，因此，于是电流调节器的比例系数为5：校验近似条件 电流环截止频率 1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：，因为，所以满足近似条件； 2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：，由于，满足近似条件； 3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：，由于，满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。1.3 速度调节器设计1：确定时间常数。（1）电流环等效时间常数为；（2）电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取。2：确定将转速环设计成何种典型系统 由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型II型系统设计转速环。3：转速调节器的结构选择。 转速调节器选用比例积分调节器（PI）,其传递函数为。4：选择转速调节器参数 按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为 ，转速开环增益为所以转速调节器的比例系数为 5：校验近似条件 转速环截止频率 1）校验电流环传递函数简化条件是否满足，由于，满足简化条件； 2）校验小时间常数近似处理是否满足条件：，由于，满足近似条件。3）核算转速超调量 当h=5时，而，因此能满足设计要求。2 系统仿真1.1 理论计算参数仿真分析根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图2 所示。 在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形，如图3。图2 直流双闭环调速系统的仿真模型图3额定转速空载时转速仿真波形 图4调整后的转速仿真波形从图3中可知：1：转速超调量为25%，转速超调量过大，系统相对稳定性弱；2：整个起动过程只需0.6 秒，系统的快速性较好。1.2 仿真调试分析通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标，找出最佳参数为：，；，。其转速波形如图4所示。从图4中可知：1：转速环超调量为 6%，超调量符合要求。2：整个起动过程约为 0.8 秒，系统的快速性仍较好。3结论以上分析表明，利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。参考文献：1 陈伯时