双闭环调速系统_励磁减半_磁场减半_运控课设_电拖课设__运动控制系统_课程设计.doc

武汉理工大学电力拖动与运动控制系统课程设计说明书目录摘要11设计任务及设计原理21.1设计要求21.2设计原理21.2.1双闭环调速系统结构图21.2.2双闭环调速系统稳态结构图31.2.3双闭环调速系统动态结构图32系统参数的选取62.1整流电路平均失控时间62.2电流滤波时间常数和转速滤波常数63电流调节器ACR的设计73.1电流调节器设计原理73.2电流调节器参数的计算84速度调节器ASR设计104.1速度调节器设计原理103.2转速调节器参数的计算115利用MATLAB进行仿真135.1双闭环模型的搭建及测试135.2稳定运行时励磁突然减半的仿真146课设总结17参考文献18武汉理工大学电力拖动与运动控制系统课程设计说明书摘要本文介绍了基于工程设计的直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了基于PID控制的转速控制环和电流控制环。详细分析了系统的起动过程及参数设计，并运用MATLAB-Simulink对直流电动机双闭环调速系统进行仿真。此外还在仿真中模拟了满载运行时励磁减半的情况，并作出了相应分析。关键字：直流调速系统 双闭环 PID控制 励磁减半调速系统调节器设计及恒负载扰动下磁场突然减半MATLAB仿真1设计任务及设计原理1.1设计要求稳态性能指标：在负载和电网电压的扰动下稳态无静差。动态性能指标：电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量。调速系统设计的主要任务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要求。调速系统设计的第一步是稳态参数的计算，它决定了调速系统的基本组成；第二步是动态设计，使系统满足性能要求。1.2设计原理1.2.1双闭环调速系统结构图直流双闭环调速系统结构如图1所示。图 1 直流双闭环调速系统结构图ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机转速调节器的输出为电流调节器的输入，电流调节器的输出控制电力电子变换器UPE。从结构上看，电流环在里，称作内环；速度环在外，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。1.2.2双闭环调速系统稳态结构图直流双闭环调速系统稳态结构如图2所示。图 2 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1.2.3双闭环调速系统动态结构图直流双闭环调速系统动态结构如图3所示。图中分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流显露出来。图 3 直流双闭环调速系统动态结构如图图 4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形电机的启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种状态，整个动态过程就分成电流上升、恒流升速和转速调节（图4中的I、II、III）三个阶段。第阶段：0t1是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当IdIdl后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压Un=Un数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流Id迅速上升。当时，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，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，以保证电流环的调节作用。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一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n，这样才能保持=Cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：t2以后是转速调节阶段。此时，但由于积分作用，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：（1） 饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。（2） 准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。（3） 转速必超调。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。2系统参数的选取2.1整流电路平均失控时间失控时间是随机的，它的大小随电源电压发生变化的时刻而变化，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源和整流电路形式有关，由下式确定（2-1）式中f交流电源频率；m周内整流电压脉冲数。相对整个系统的响应时间来说，一般情况下可取统计平均值，认为是常数，表1列出了不同整流电路的失控时间。表 1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间（ms）平均失控时间（ms）单相半波2010单相桥式（H桥）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67根据表1可知三相桥式整流的平均失控时间为：2.2电流滤波时间常数和转速滤波常数三相桥式桥式电路每个波头的时间为为了基本滤平波头，应该选择 根据所有发电机纹波情况，取3电流调节器ACR的设计3.1电流调节器设计原理电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象，如果采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成（3-1）式中电流环的传递函数为（3-2）因为 TiTi，选择i= Ti ，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正成典型型系统，因此（3-3）式中，电流环的动态结构图如图5所示。图 5 电流环的动态结构图在一般情况下，希望电流超调量si 5%，由表2，可选 x =0.707，KITSi =0.5，则（3-4）表 2 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比z1.00.80.7070.60.5超调量s0 %1.5%4.3 %9.5 %16.3%上升时间 tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间 tp8.3T6.2T4.7T3.2T相角稳定裕度 g7669.96559.251.8截止频率wc0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T再依据得到（3-5）3.2电流调节器参数的计算（1） 电流环小时间常数计算按小时间常数近似处理，取（2） 电流调节器结构选择及参数计算根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可以用PI调节器，其传递函数可见式（3-1）。检查对电源电压的抗扰性能：，参看的典型I型系统的动态抗绕性能，各项指标可以接受。电流调节器超前时间常数：。电源开环增益：要求时，按表2，应取，因此于是，ACR的比例系数为（3） 校验近似条件电流环截止频率：1) 晶闸管整流装置传递函数近似条件 满足近似条件。2) 忽略反电势变化对电流环动态影响条件 满足近似条件。3) 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。（4） 计算调节器电容和电阻如图6，按所用运算放大器取，各个电阻和电容值为图 6 PI型电流调节器由以上计算可得电流调节器传递函数为4速度调节器ASR设计4.1速度调节器设计原理用等效环节代替电流环，将结构图简化图 7 转速环的动态结构图及其简化把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并得（4-1）转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，IdL(s)是负载扰动。系统实现无静差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。因此转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。ASR采用PI调节器，其传递函数为（4-2）式中这样，调速系统的开环传递函数为（4-3）令转速环开环增益为（4-4）则（4-5）图 8 校正后的动态结构图不考虑负载扰动时，校正后的调速系统的动态结构图如图8所示表 3 典型型系统阶跃输入跟随性能指标h345678910s2.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr / T2.42.652.853.03.13.23.33.35ts / T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111按照典型型系统的参数关系（4-6）以及（4-7）得（4-8）3.2转速调节器参数的计算（1） 时间常数的确定1) 电流环等效时间常数为2) 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取（2） 调节器选择及参数计算为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环调节器应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见,ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为见式（4-2）按跟随性和抗扰性好的原则，取，则ASR的超前时间常数为转速开环增益为于是可得ASR的比例系数为（3） 校验近似条件转速环的截止频率为1) 电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。2) 转速环小时间常数近似处理条件为 满足简化条件。3) 按退饱和验证转速超调量 满足要求（4） 调节器电阻及电容计算如图9，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为图 9 PI型转速调节器由以上计算可得转速调节器传递函数为5利用MATLAB进行仿真5.1双闭环模型的搭建及测试根据计算得到的参数在MATLAB-Simulink中搭建双闭环仿真模型。搭建时可以先把电流内环搭建好，电流给定值为10V，用示波器观察输出电流波形。在电流环仿真结果正确后，在此基础上进行双闭环模型的搭建。搭建好的双闭环模型如图10所示，转速给定为10V。负载IdL设定为0A，即空载启动。仿真时间设定为0.7s，用示波器观察电流及转速的波形是否正常。如果正常则可以进行下一步励磁突然减半的仿真实验。空载启动仿真结果见图11。从图中可以看出，直流电机约0.5s达到稳定，超调值均在要求范围内。图 10 电流环仿真模型电流转速图 11 空载启动仿真结果5.2稳定运行时励磁突然减半的仿真由于模型中，所以稳定运行时，将1/Ce与2相乘即可。应用乘法器完成这一过程，在3s前阶跃信号初值为1，在3s时突变成2。由式知，直流电机带动恒转矩负载，励磁突然减半相当于负载电流突变为原来的2倍。因此，设定IdL在3s时发生节约，初值为136V（满载启动），终值为原来的两倍即136*2V。仿真模型见图12，同时将仿真时间延长为4s，并增加示波器观察直流电压Ud、ASR、ACR的输出情况。图 12 励磁突然减半的仿真模型图电流转速图 13 励磁在3s减半时转速和电流的变化仿真结果见图13和图14。从图中看出当励磁突然减半时，转速变为原来的2倍，通过转速反馈与给定相减使ASR减到0，电流给定为也减到0，电机减速。减速到1460以下时，ASR达到饱和，电流给定为最大值，输出电流为1.5 IN。但是应，输出转矩小于负载转矩，速度逐渐下降。若负载为恒转矩负载，则转速下降到0时停止；若负载为位能性负载，则转速下降到一定值后保持不变。ASRACRUd图 14 励磁在3s减半时Ud、ASR、ACR的变化实际情况中电机存在机械惯性，转速不可能突变，直