双闭环直流调速系统课程设计(matlab仿真设计).doc

Hefei University电子信息与电气工程系自动化专业控制系统数字仿真与CAD课程报告 课 题： 直流电动机双闭环调速系统仿真 班 级： 08自动化（1）班 姓 名： 蒋 涛 0805070073 朱 彤 0805070068 李方舟 0805070053 指导老师： 李秀娟 摘要：双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。关键词：直流电机调速系统 仿真 MatlabAbstract: Double closed loop ( speed loop, current loop DC speed control system ) is a kind of current application is wide, economic, applicable power transmission system.The paper presents the derive ationof engineering design methods in the speed regulation system of speed and current double closed loop in details. Then，a demo is designed and simulated by Matlab/Simulink to study the influence resulted from the details of the derivation，which has been ignored in the speed regulation system. The reason of difference between the engineeringdesign and the real conditions is given to help working out theoptimaldesigninpractice.Keywords: DC motor Speed regulation system Simulation Matlab一、双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。二、双闭环直流调速系统的组成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，二者之间实行串级连接，如图2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2 转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器三、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。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，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。图3 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE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，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。四、双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4所示。图中和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枢电流显露出来。图4：U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E五、双闭环直流调速系统两个调节器的作用1） 转速调节器的作用使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2)电流调节器的作用 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全护 作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。六、仿真软件介绍利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(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。控制系统仿真，就是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。通常控制系统仿真的过程按以下步骤进行：第一步，建立自控系统的数学模型第二步，建立自控系统的仿真模型第三步，编制自控系统仿真程序第四步，进行仿真实验并输出仿真结果七、仿真设计可根据老师的要求设置参数，书上有列题，设计后的数学模型结构图如下：由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。根据例题修改的gain gain1 step step1 仿真后波形八、仿真结果分析图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。1.电机转速曲线在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。2.电机电流曲线直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。九、小结本次试验要求我们在容许的最大电流约束条件下，实现了所谓的“最短时间控制”或“时间最优控制”的基本思想，并使该系统成为一个恒流调节系统。当转速超调，ASR 退饱和，系统变成转速无静差调节系统。利用PI 调节器的饱和及不饱和的两种状态，使电流和转速调节器分别在起动和稳速等不同的阶段起作用，获得了良好的静、动态性能。通过本次实验学习，让我们加深了对本门课程的了解，然我们学会了如何按要求设计一个系统，有利于我们走向工作时积累相关经验知识。最后要感谢李老师给与的悉心指导。参考文献1 控制系统数字仿真与CAD（第三版） 张晓华 机械工业出版社2 MATLAB基础与编程入门（第二版） 张 威 西安电子科技大学出版社3电力电子技术及应用 张润和 北京大学出版社基于MATLAB的系统自激振荡仿真与研究摘要：基本放大电路必须由多级放大电路构成，以实现很高的开环放大倍数，然而在多级放大电路的级间加负反馈，信号的相位移动可能使负反馈放大电路工作不稳定，产生自激振荡。用MATLAB/Simulink方法对系统进行仿真，能够方便的观察到在系统的各个环节的信号变化情况，对系统产生自激震荡的原因更方便的进行分析，以便于设计出更好的系统。根据讨论描述功能分析方法的自激振荡线性系统，模拟研究方法的基础上，提出了指令仿真。主要程序的方法介绍，和特点的方法进行了总结。实践表明，结合描述的方法，在本实验中是可行的。关键词：MATLAB；自激振荡；仿真Abstract:Based upon the discussion of description functional method for analysis the self-excited oscillation of nonlinear systems,simulation study approach based on the MATLAB/Simulink is proposed for instruction.Main procedures of the approach are presented,and features of the approach are summarized.Teaching practices show that when combine with the description functional method for instruction,the approach proposed in this paper is effective.Key words：MATLAB; Self Excited Oscillation; Simulink实验步骤系统分析：（为使系统不产生自激振荡，分析a,b取值）根据题意可知该系统线性部分传递函数为因此令线性部分频率响应G（jw）的虚部为零，即求的G（jw）曲线与负实轴交点处的频率为rad/s，将其带入到Ret(G()中，得到因此G() 曲线与负实轴的交点坐标为（-1.333，j0）。这可以通过MATLAB相关命令加以验证，在MATLAB窗口中输入下列命令：num=3;nen=conv(1,0,conv(0.8,1,1,1);nyquist(num,den)得到的线性部分的乃奎斯特图如下图所示：系统仿真图将图形局部放大后，同样可得出其与负实轴的交点坐标为（-1.333,j0），与理论分析结果一致。图中所示系统为具有死区的继电器非线性系统，这一非线性特性的描述函数据此可画出轨迹，图中的拐点为，根据非线性控制理论，若使系统不产生自激振荡，必须保证G(jw)的轨迹与轨迹不相交，因此需令可求得b