MATLAB-电流双闭环直流调速系统工程设计.doc

目 录摘要.2一. 概述.2二. 设计任务及要求.32.1 设计任务.42.2 设计要求：.4三. 理论设计.43.1 方案论证.53.2 系统设计.53.2电流调节器设计53.2.1电流环结构框图的化简53.2.2确定时间常数.63.2.3选择电流调节器结构.63.2.4 计算电流调节器参数.63.2.5 校验近似条件.63.2.6 计算调节器电阻和电容.73.3 速度调节器设计.83.3.1 确定时间常数.83.3.2 选择转速调节器结构.93.3.3检验近似条件.103.3.4计算调节器电阻和电容.103.3.5校核转速超调量.10四. 系统建模及仿真实验.114.1 MATLAB仿真软件介绍.114.2 仿真建模及实验.114.3 双闭环仿真实验134.4仿真波形分析16 4.4抗扰性能分析17五. 实际系统设计及原理.185.1实验过程.185.11 实验内容.185.12 实验步骤.18六. 总结与体会.18参考文献.18摘 要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。双闭环直流调速系统是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流变化率内环的三环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制作的一些情况。关键词：MATLAB；直流调速；双闭环；转速调节器；电流调节器；干扰一、概 述 本章主要介绍典型系统的数学模型、参数和性能指标关系，系统结构的近似处理和非典型系统的典型化，速度、电流双闭环直流调速系统工程设计方法。在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电流环，相应的要运用转速调节器和电流调节器对转速和电流进行调节。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。自动控制原理中，为了区分系统的稳态精度，按照系统中所含积分环节的个数，把系统分为0型、I型、II型系统 。系统型别越高，系统的准确度越高，但相对稳定性变差。0型系统的稳态精度最低，而III型及III型以上的系统则不易稳定，实际上极少应用。因此，为了保证一定的稳态精度和相对稳定性，通常在I型和II型系统中各选一种作为典型，称为典型I型和II型系统，作为工程设计方法的基础。在此实验中，则是将电流环设计成典型I型，将转速外环设计成典型II型系统，从而实现设计的最优控制。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。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，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。因此，只有设计成转速、电流双闭环直流调速系统则能满足这个要求。二、设计任务及要求2.1设计任务设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机参数：l 额定功率25KW，额定电压220V，额定电流136A，l 额定转速 1600r/m，=0.132Vmin/r， l 允许过载倍数=1.5。l 晶闸管装置放大系数：=40l 电枢电阻：Ra=0.5l 电枢回路总电阻：2Ra=1l 时间常数：机电时间常数=0.18s， 电磁时间常数=0.03sl 电流反馈系数：=0.05V/Al 转速反馈系数：=0.007v min/rl 转速反馈滤波时间常数：=0.005s，=0.005sl 总飞轮力矩：GD=2.5N.ml h=62.2设计要求系统稳态无静差，电流超调量 i 5%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n 10。系统具有过流、过压保护。三、理论设计3.1方案论证按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计电流变化率内环）。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指括的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。双闭环直流调速系统的结构框图:图3.1 双闭环直流调速系统的动态结构图 ASRa Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3、2电流调节器的设计3.2.1电流环结构框图的化简在图3.1中的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下系统的电磁时间常数远小于机电时间常数Tm，因此，转速变化往往比电流变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即E0。这样，在按动态性能设计电流环是，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图3.2(a)所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是。式中ci电流开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地转移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图3.2(b)所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。最后，由于Ts和Toi一般比小得多，可以当做小惯性群而近似地看做是一个惯性环节，其时间常数为=+则电流环结构框图最终化简成图3.2(c)简化的近似条件是 ciACR图3.2(a)ACR图3.2(b)ACRU*n图3.2(c)(a) 忽略反电动势的动态影响 (b) 等效成单位负反馈系统 (c) 小惯性环节近似处理3.2.2、电流调节器结构的选择从稳态要求上来看，希望电流无静差，希望得到理想的堵转特性，由图3.2(c)可以看出，采用典型系统就够了。由图3.2(c)表明，电流控制对象是双惯性的，要校正成典型，显然采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 = 3.2.3确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数。按书表1-2，三相电路的平均失控时间：=0.0017s (2) 电流滤波时间常数。=0.005s (3) 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取为：=+=0.0067s 3.2.4、选择电流调节器结构根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为： = 检查对电源电压的抗扰性能：Tl /Ti=0.03s/0.0067=4.48，参照表2-3的典型系统的抗扰性能，各项指标都可以接受。3.2.5、计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.03s。 电流环开环增益：要求5%是按书表2-2，应取=0.5，因此： KI = 0.5 / Ti =0.5/0.0067 = 74.63 于是，ACR的比例系统为：Ki =KI R / Ks=74.630.031 / 400.05=2.23 / 2 =1.153.2.6校验近似条件电流环截至频率： KI = ci = 74.63 晶闸管整流装置传递函数近似的条件为： 忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为： 电流环小时间常数近似处理条件为：3.2.7 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得。各电容和电阻值为：、 Ri =KiR0 =1.1540=46 k Ci =i / Ri = 74.63/46 =1.62 Coi =4TOi /R0 =4 0.005 /R0 =0.5uf 按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%,满足课题所给要求。电流比例积分器结构图3.3速度调节器设计转速调节器的设计类似电流调节器的设计过程，其详细过程参阅文献1的第80页到83页，以下仅给出转速环的动态结构框图的化简及传递函数。 如图二(a)，即为未经化简的转速环的动态结构框图。和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 =+则转速换结构框图可简化成图二(b)所示。校正后的转速环的动态结构框图如下图二(c)所示。ASR(a)ASR(b)(c) 图 3.3 转速环的动态结构框图及其简化(a) 用等效环节代替电流环 (b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 (c) 校正后成为典型型系统3.3.1 确定时间常数(1)电流环等效时间常数。取=0.5，则： 1/KI =1/74.63= 0.0134 (2)转速滤波时间常数。根据所用测速发电机波纹情况，取：=0.005s。 (3)转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取：=+=0.0134+0.005=0.0184 3.3.2选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： （3-18） 3.3.3计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=6，则ASR的超前时间常数为： 并且求得转速环开环增益为： 则可得ASR的比例系数为： 3.3.4 校验近似条件转速截止频率为： 电流环传递函数简化条件为： 转速环外环的小时间常数近似处理条件为： 3.3.5 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取=40。各电容和电阻值为： Con =4TOn /R0 = 40.005/401000=0.5uf转速比例积分器结构图3.3.6 校核转速超调量按ASR退饱和的情况重新计算超调量。如下：理想空载起动时，当时，查附表2得：则 满足课题所给要求。四、系统建模及仿真实验4.1MATLAB 仿真软件介绍本设计所采用的仿真软件是MATLAB 7.1。MATLAB 7.1是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。 MATLAB 7.1提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法， 它还 集成了 2D 和 3D 图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交互式的高级编程语言 M 语言，利用 M 语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。 Simulink 是基于 MATLAB 7.1 的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模。 4.2仿真建模及实验MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多. 当前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类. 开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包. 4.3双闭环仿真实验为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，如图4.4所示。图4.3转速、电流双闭环直流调速系统结构图4.3中，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UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图4.9所示： 图4.4双闭环直流调速系统的动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如 图4.5所示：图4.5双闭环调速系统仿真模型图图4.6 子系统模块示波器波形如图4.7，4.8所示： 图4.7闭环转速仿真波形图4.8双闭环调速系统电流波形图由以上的计算和仿真得到的波形可知，在符合设计要求的情况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调节参数，如表4.2表4.2双闭环调速系统调节参数晶闸管放大系数Ks机电时间常数电磁时间常数电流反馈系数转速反馈系数允许过载倍数400. 18s0.03s0.05V/A0.007vmin/r1.5RASR限幅值0.005s0.005s0.132Vmin/r10.0055s8.4VACRASRACR限幅值280A0.1104 s1.1574.63.15.380287.16441.6222.84.60.03s4.4仿真波形分析从图4.7、4.8波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第阶段：电流上升阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.第阶段：是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段：转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在三闭环直流调速系统中的作用归纳为： 1). 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2). 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。4.5抗扰性能分析当在一秒后在电网即电流环加入阶跃响应后的到电流，和转速波形如下图：加入扰动后的电流波形加入扰动后的转速波形由上图可知当电网扰动出现以后，电流调节器会马上感应扰动的变化，电流波形会跟随着发生一定的抖动，但是经过转速和电流双闭环PI调节器的调节之后，一定时间之内，又重新进入稳态，稳定在给定