双闭环调速系统调节器设计及matlab仿真验证

1、武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计摘要本设计首先介绍了双闭环调速系统的组成、稳态结构图和参数计算、动态过程分析以及典型系统结构的基本理论方法。而后针对课设题目要求，进行了系统的总体方案设计，选用V-M系统，通过触发装置对三相桥式整流桥的六个晶闸管进行控制，来实现变压调速的目的；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（或称串级）连接。接着，进行了ACR、ASR的结构设计和参数计算。并通过Altium Designer的电路图绘制来实现对系统硬件电路的设计、通过MATLAB仿真来实现测定直流调速系统Id=const时，即带恒负载稳定运行时电流环突然断线时系统的运行情况，

2、并进行结果分析。经过理论计算以及MATLAB仿真两种方式，验证了设计的双闭环系统能够实现稳态无静差、电流超调小于等于5%、空载启动到额定转速时的转速超调小于等于10%的要求。 中文关键词： 双闭环调速系统；电流、转速负反馈；ASR；ACR；Altium Designer；MATLAB；目录1.双闭环调速系统调节器设计的理论方法1 1.1双闭环调速系统的组成11.2 稳态结构图与参数计算.11.3数学模型与动态过程分析31.4 典型系统结构.41.4.1 典型型系统.41.4.2 典型型系统.52.系统的总体方案设计73.调节器的设计83.1电流调节器的设计83.1.1 电流调节器的结构选择.8

3、3.1.2 电流调节器的参数计算.93.2 转速调节器的设计113.21 转速调节器的结构选择.113.2.2 转速调节器的参数计算.124.系统硬件设计144.1电流调节器电路144.2转速调节器电路154.3V-M系统电路164.4转速变换与检测电路174.5电流检测电路184.6电流负反馈和限流电路184.7系统总体电路图195.MATLAB的仿真及结论215.1电流调节器的仿真215.2空载启动时转速调节器的仿真225.3 Id=const稳定运行时电流环突然断线的仿真245.3.1 起动电流、转速波形.255.3.2 直流电压波形.265.3.3 ASR、ACR输出电压波形.276.

4、收获与体会.297.参考文献.30双闭环调速系统调节器设计及matlab仿真验证1.双闭环系统调节器设计的理论方法1.1双闭环调速系统的组成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负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。如下图所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。图1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图由于题目要求稳态无静差，因而调节器必须采用相应的积分器调节器，故相应转速环采用PI调节器进行调节。同时电流内环也采用相应的PI调节器也能实现很好的动、静态特

5、性。1.2稳态结构图与参数计算双闭环直流调速系统的稳态结构图如图所示。两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。当调节器饱和时，输出达到限幅值，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。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的事实控制和快速跟随，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态。图1.2 双闭环直流调速系统的稳态结构图(1) 当转速调节器不饱和时，这时，两

6、个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此 （1.1）式中，分别为转速和电流反馈系数。(2)当转速调节器饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不在产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调速系统。稳态时 （1.2）式中，最大电流是由设计者选定的，本次设计系统为。 （1.3）在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，转速调节器为饱和输出，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。当ASR处于饱和状态时，若负载电流减小，使转速上升，nn0，n0，ASR反向积

7、分，使ASR调节器退出饱和。1.3数学模型与动态过程分析从电流与转速变化过程所反映出的特点可以将起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段：电流上升阶段：突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、均上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动。当后，电动机开始起动，由于几点惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压（）的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升直到，电流调节很快就压制了的增长。该阶段结束，此阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。恒流升速阶段：此阶段中，ASR始终是饱和的，转速换相当于开环，系统成为在恒值电流给

8、定下的电流调速系统，基本上保持电流很定，因而系统加速度恒定，转速呈线性增长。转速调节阶段：当转速上升到给定值是，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差为负，使它开始推出饱和状态，电动机开始在负载的阻力下调速，直到稳态。此阶段中，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使很快地跟随其给定值。起动过程归纳的特点有：（1）饱和非线性控制 （2）转速超调（3）准时间最优控制1.4 典型系统结构1.4.1 典型型系统作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为 （1-4） 式中， T系统的惯性

9、时间常数； K系统的开环增益。典型型系统的闭环系统结构图如图所示，图表示它的开环对数频率特性。对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往是控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K 。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。 图1.3 典型型系统的闭环结构图和开环对数频率特性 当，由开环对数频率特性可知 所以相角裕度为 ，K值越大，截止频率wc 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 g 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷

10、。（1）动态跟随性能指标由图可得典型型系统的闭环传递函数为 （1-5）（2）动态抗扰性能指标影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系，典型型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。1.4.2 典型型系统典型型系统的开环传递函数表示为:（1-6）系统的闭环系统结构图和开环对数频率特性如图1.4所示典型型系统的时间常数T也是控制对象固有的，而待定的参数有两个： K 和 t 。定义中频宽：（1-7）中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。 图1.4 典型型系统的

11、闭环结构图和开环对数频率特性 （1-8）改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，此特性与闭环系统的快速性有关。系统相角稳定裕度为：（1-9）比T大得越多，系统的稳定裕度就越大。采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。（1-10）（1-11）在确定了h之后，可求得 （1-12） （1-13）（1） 动态跟随性能指标按Mr最小准则选择调节器参数，典型型系统的开环传递函数为：（1-14）系统的闭环传递函数为：（1-15）当R(t)为单位阶跃函数时， ：（1-16）（2）动态性能指标如前所述，控制系统的动态抗扰性能指标是因系统结构和扰动作用点而异的。转速环

12、在负载扰动作用下的动态结构如图所示：图1.5 转速环在负载扰动作用下的动态结构2. 系统的总体方案设计本系统要求使用不可逆设备，且其整流装置采用三相桥式整流电路。没有可逆控制的直流调速系统，应用较广泛的有V-M系统和PWM-M系统，在本设计中我选用V-M系统。通过触发装置对三相桥式整流桥的六个晶闸管进行控制，来实现变压调速的目的。当然，之后的调节器设计过程中取为=1/（2mf）。本系统为双闭环调速系统，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（或称串级）连接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流

13、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、电流反馈控制直流调速系统（以下简称双闭环系统）。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器。设计要求完成调速系统（）稳定运行时电流环突然断线的仿真，因此，直流调速系统空载启动后，便给定的扰动，即让系统带载运行。在电流调节器的作用下，系统稳定运行后。当系统达到新的稳定运行后，再将电流环断线，从而得出启动转速，启动电流，直流电压，ASR、ACR输出电压的波形。3.调节器的设计3.1电流调节器的设计3.1.1 电流调节器的结构选择转速的变化往往比电流变化慢得多

14、，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 （3-1）式中，是电流开环频率特性的截止频率。把给定滤波和反馈滤波同时等效移到环内前向通道上，再把给定信号改为。由于和一般都比小的多，可以当做小惯性环节来近视处理。 （3-2）其中，为整流装置滞后时间常数，为电流滤波时间常数。简化的条件是 （3-3）近视处理后的电流环等效单位负反馈如图3.1所示。图3.1 近视后的电流环等效单位负反馈系统从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，可知，采用典系统就够了。另外，电流环应以跟随性能为主，即应选

15、用典系统。所以，电流调节器的传递函数为 （3-4）3.1.2 电流调节器的参数计算 (1) 确定时间常数整流装置滞后时间常数：三相桥式电路的平均失控时间为 （3-5）电流滤波时间常数：三相桥式电路的每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有，所以取电流环小时间常数之和(2) 计算电流调节器的参数电流环开环传递函数为 （3-6）因为，选择 ，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正成典系统，所以，则 （3-7）其中。课设要求，按“西门子最佳整定原则”，选取，所以 （3-8） （3-9） （3-10）(3) 检验近视条件电流环截止频率检验晶闸管整流装置传递函数的近视条件，满足近似条件。

16、校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，满足近视条件校验电流环小时间常数近似处理条件，满足近视条件(4) 计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的模式PI型电流调节器原理图如图3.2所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。按运算放大器取，各电阻电容值计算如下，取=/=0.031/35520=0.87uF，取0.87uF图3.2含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器(5) 校核电流超调根据上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为超调量为4.3%5%，满足设计要求3.2转速调节器的设计3.2.1 转速调节器的结构选择用电流环的等效环节代替电流

17、环后，整个转速控制系统的动态结构图如图3.3所示。图3.3 等效环节代替电流环后的转速环动态结构图把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地移动到环内前向通道上，并将给定信号改成，再把时间常数和的两个小惯性环节合成起来，近视成一个时间常数为的惯性环节，其中 （3-11）为转速滤波时间常数，则转速环小惯性环节近似处理后的等效单位负反馈简化结构图如图3.4所示。图3.4 近似后的转速环等效单位负反馈系统为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应包含在转速调节器ASR中，由于在扰动作用点后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型系统，这样的系统

18、同时也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大的问题，那是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会让超调量大大降低。由此可见ASR也采用PI调节器，其传递函数为 （3-12）其中，为电流调节器的比例系数，为电流调节器的超前时间常数。3.2.2 转速调节器的参数计算(1) 确定时间常数电流环等效时间常数。由电流调节器设计时，已取，则 （3-13）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取转速环小时间常数。按小时间常数近视处理，取 （3-14）(2) 计算转速调节器的参数电流环开环传递函数为 （3-15）令转速环开环增益为 （3-16）则转速开环传递函数

19、可以记为 （3-17）按照典型型系统的参数关系，选取中频宽可以得到 （3-18） （3-19）(3) 检验近视条件转速环截止频率电流环传递函数的简化条件，满足近似条件。 转速环小时间常数近似处理条件，满足近视条件(4) 计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的模式PI型电流调节器原理图如图3.5所示。图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图3.5 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器按运算放大器取，各电阻电容值计算如下，取，取，取(6) 校核转速超调按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量 （3-20）满足设计要求，转速

20、环的设计取得成功。4. 系统硬件设计4.1电流调节器电路电流调节器的设计已经在前面实现，根据得到的参数和结构可以利用Altium Designer作出电路图，如下：图4.1 电流调节器电路该电路是含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，相关元件的参数均已在图中标出。图中Ui*为电流给定电压，-Id为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压Uc。4.2速度调节器电路图4.2 速度调节器电路该电路是含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，相关元件的参数均已在图中标出。图中Un*为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出就是电流调节器的给定电压Ui*。4.3

21、V-M系统电路在本设计中我选用V-M系统。通过触发装置对三相桥式整流桥的六个晶闸管进行控制，来实现变压调速的目的。触发装置可以利用相关芯片和外围电路来实现。图4.3 V-M系统电路晶闸管整流器，通过调节触发装置的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出电压。触发装置可以利用相关芯片和外围电路来实现。下面是它的电路图（说明：该触发电路没有通过Altium Designer绘制）：图4.4 触发电路4.4转速变换与检测电路图4.5 转速变换与检测电路 转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用控制的电压信号。输入电压经R和电位器分压，调节

22、电位器可改变转速反馈系数。4.5电流检测电路图4.6 电流检测电路电流互感器TA为检测电流的交流互感器，输入信号取自三相交流电中的任意两相电压。4.6电流负反馈和限流电路图4.7 电流负反馈与限流电路由运算放大器和二极管组成的电路起电流负反馈和限流的作用。当电枢电流在正常范围时，二极管桥式电路的四个二极管都导通，没有电流流过R5。该电路的输入输出特性斜率为R4/R3，是正常的电流负反馈。当电机电流超过规定值时，桥式电路中有两个二级管截止，R5上有电流流过，此时电路的输入输出特性斜率为(R5+R4)R3,运放输出电压迅速增加，并通过电流调节器进行调节。4.7系统的总体电路总体电路是根据转速、电流

23、反馈控制直流调速系统的原理图设计的。ASR、ACR的结构设计和参数计算已在前面完成，同时也完成了UPE、以及电流、转速检测电路等各模块的电路设计。因此依据转速、电流反馈控制直流调速系统的原理图将以上各模块连接起来便构成了系统的总体电路图4.8。电路中省略触发电路部分，触发电路详见图4.4。 图4.8 系统的总体电路 电路中ASR的输入端Un*为正电压信号（以下用+表示，负信号用表示），由于转速反馈为负反馈，所以-n为，输出Ui*为。Ui*接到ACR的一个输入端，另一输入端-Id应为+，即电流反馈的电压信号应为+，输出Uc为正。5. MATLAB的仿真及结论5.1电流调节器的仿真由以上的原理分析

24、和参数计算，可以得到电流环的仿真模型如下：图5.1 电流环的仿真模型电流环给定幅值为10V（转速调节器ASR的限幅输出值）的阶跃输入，从而测试电流环设计的性能指标，得到的电流环的电流仿真波形图如图图5.2 电流环的电流仿真波形图把饱和上界和下界参数分别设置为限幅值+10和-10，把start time和stop time栏目分别填写为0.0s和0.05s。由电流环的仿真可以看到在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于=1.5*760=1140，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，它是一个线性渐增的扰动量，因此，电流环做不到无静差，而是稳定运行于一个略低于的值。当然，在工程计算中，很小的

25、误差可以忽略不计。5.2空载启动时转速调节器的仿真由以上的原理分析和参数计算，可以得到由空载启动到额定转速时转速环的仿真模型如图图5.3 空载启动时转速调节器的仿真模型由于是空载启动，所以负载电流给定，Step2的initial value和final value设置为0.转速环给定幅值为10V的阶跃输入。从而测试速度环设计的性能指标，得到空载启动时速度环和电流环的仿真波形图图5.4 空载启动时速度环和电流环的仿真波形图由仿真可以得到稳态运行时的转速为，达到了系统转速稳态无静差的性能要求，峰值转速，上升时间，峰值时间，调节时间。所以 （5-1）满足要求。5.3 Id=const稳定运行时电流环

26、突然断线的仿真为了实现直流调速系统（）稳定运行时电流环突然断线时系统运行的仿真，经分析可知有两种方案可以实现。方案一：将电流反馈信号与一个阶跃给定信号通过一个多切开关转换后作为最后的电流环反馈信号。启动时，开关接通电流反馈信号，启动完成后，便将开关转接为阶跃信号，阶跃信号在指定时间由初值跳到终值0，这样就实现了电流环断线的要求。方案二：将电流反馈信号与一个阶跃给定信号通过乘法器相乘后作为最后的电流环反馈信号。启动时，阶跃信号初值为1，启动完成后，便将阶跃信号跳到终值0，同样实现了电流环断线的要求。本次设计采用方案二。仿真模型：图5.5 Id=const稳定运行时电流环突然断线的仿真模型由于是带

27、载运行，所以负载电流给定Idl=const,可以设置为300，Step2的initial value和final value分别设置为0和300，step time设置为0。转速环给定幅值为10V的阶跃输入，同时因为在0.7s后系统已经能稳定运行，所以Step3可以设置为step time为1.3时，从1跳变到0的阶跃跳变，以实现带载稳定运行时电流环突然断线。5.3.1 起动转速、电流波形仿真图中Scope测出起动转速、电流波形图5.6 起动转速、电流波形从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把启动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。电流上升阶段，电流很快达到最大值，ASR进入饱和状

28、态。恒流升速阶段，电流基本恒定，转速则呈线性增长。转速调节阶段，当转速上升到给定值时，ASR输入偏差为零。转速超调后，ASR输入偏差为负，开始退饱和，系统转速逐渐稳定下来。当到0.7s时，在额定转速下，转速下降后又趋于稳定。到1.3s时，电流环断线，ACR没有电流反馈环节，电流很快增加，转速反馈增大，ASR输出减小，使ACR输入减小，转速反馈减小，与给定偏差增大，ASR输出增大，ACR输入增大，转速反馈增大，依次这样震荡。5.3.2 直流电压波形仿真图中scope2测出直流电压波形图5.7 直流电压波形5.3.3 ASR、ACR输出电压波形仿真图中scope1测出ASR、ACR输出电压波形图5.8 ASR、ACR输出电压波形6.收获与体会此次课程设计首先让我明白了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，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都应参与P