自动控制VM双闭环直流调速系统建模与仿真

1、V-M双闭环直流调速系统建模与仿真摘要本课程设计描述的是“V-M双闭环直流调速系统建模与仿真”的过程。我们可以看到主电路是晶闸管-电动机调速系统（俗称V-M系统），系统通过调节器出发装置的控制电压Uc来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。V-M系统主要由其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和电动机-发电机组等组成。整流变压器和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。1. 概述转速电流双闭环控制直流调速系统是性能良好、应用最广的直流调速系

2、统。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。双闭环直流调速系统在起动过程中有以下三个特点：(1)饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同的结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。(2)转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。超调量一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来一直超调。(3)准时间最有控制。在设备允许条件下实现时间最短的控制称作“时间

3、最优控制”，对于电力拖动系统，在电机过载能力允许的限制下的恒流起动，就是时间最优控制。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。2设计任务及要求2.1设计任务设计一个V-M双闭环直流调速系统，系统的技术参数和技术指标如下：(1)技术数据： 晶闸管整流装置：Ks=45-48。负载电机额定数据：PN=555KW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，=1.5。系统主电路：R=0.14，Tm=0.112s,=0.031s.其他参数：给定转速电压最大值及ASR、ACR输出限幅值均为10V，。调解器

4、输入电阻=40，电流滤波时间常数Toi =0.02s，转速滤波时间常数=0.01.(2)技术指标：稳态指标：无静差 ；动态指标：电流超调量：5%，起动到额定转速时的超调量：8%； 过渡过程时间Ts1s2.2课程设计应完成的工作(1) 根据课题的设计任务要求，确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 根据双闭环直流调速系统原理图，分析转速调节器和电流调节器的作用(3) 据双臂环工程设计方法，计算调节器电路各元件参数。用Matlab画出内外开环Bode图(4) 用simulink进行仿真，必要的话可根据仿真波形图进行参数修正。使系统满足动态要求(5) 整理设计数据资料

5、，设计总结，撰写课程设计计算书明书。3.理论设计3.1系统设计图1 转速、电流双闭环直流调速系统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 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电压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。两者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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

6、速、电流双闭环调速系统。由图1中的内容，可以分析出电流调节器和转速调节器的作用：（1）电流调节器的作用：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外环调节器的输出量变化对电网电压波动起及时抗扰作用在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。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。（2）转速调节器的作用：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。对负载变化起抗扰作用输出限幅值决定电机允许的最大电流 双闭环无静差调速系统的转速调节器采用了PI

7、调节器，所以保持了无静差调速的优点，也克服了快速性不好的缺点，较之单闭环控制系统，其动态性能也优越得多 。为了在动态时限制冲击电流和获得饱和的电流波形，在转速调节器组成的转速环之内设置了一个有电流调节器构成的电流闭环，不但改善了动态性能，而且系统有良好的静态性能。图2双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转

8、速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。3.2器件的选择及参数的计算晶闸管选择及计算一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路原理图如下：图3 三相桥式全控整流电路原理图可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。晶闸管导通的条件：受正向阳极电压，同时

9、受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管参数计算如下：Ud=440VU2=Ud/2.34=440/2.34V=188VId0=In×=220×1.5A=330AIvt=Id0/=190.5AIvt(AV)=Ivt/1.57=121.3AURM=U2=460.5V根据通态电流的大小和峰值电压的确定，可选择合适的晶闸管来完成三相整流的功能。晶闸管的保护晶闸管

10、的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 （1）晶闸管的过流保护 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负

11、载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。2、对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 （2）晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。3.3.2调节器的选择及计算系统给定: U*nm=U*im=10V =1.5 Idm=Id转速反馈系数： = U*nm/nmax电流反

12、馈系数： = U*im/Idm=10/750×1.5=0.009V/A(一）电流调节器结构的选择：电流环的传递函数可以写成：电流环以跟随性能为主，即选用典型I系统。 图4 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图ACR选用PI型电流调节器，传函如下：电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。（二）转速调节器结构的选择：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II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图5转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数以上完成了对此系统的主电

13、路的选择、主要器件的参数的确定和调节器的结构的选择。3.3电流调节器的设计 确定时间常数1） 整流装置滞后时间常数Ts。按课本中的表1-2查得，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。2） 电流滤波时间常数 Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。3） 电流环小时间常数之Ti近似处理，取Ti =Ts+Toi=0.0037s。4） 电枢回路电磁时间常数=0.0315） 题目中给的时间常数：=0.112s6）电动机参数Ce：Ce=1.82V/rpm选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无差

14、，可按典型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调节器，其传递函数见式检查对电源电压的抗干扰性能：，查表得各项指标都是可以接受的。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数： = =0.031s电流环开环增益：要求5%时,查表得=0.5,因此 =135.1于是，ACR的比例系数为 =1.44校验近似条件电流环截止频率：= =135.1晶闸管整流装置传递函数近似条件=1/3×0.0017s=196.1满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3=353.26满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件1/3 =1/3×=180.8满足近似条件

15、。计算调节器电阻和电容取=40，各电阻和电容值为=1.36×40=54.4，取55。 = =0.775F，取0.8F。=4=4×=0.0002F，取0.0002F。 图6含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟踪性能指标为，满足设计要求。3.4转速调节器设计确定时间常数1）电流环等效时间常数： 已知=0.5，则 =2=2×0.0037s=0.0074s2）转速时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s3）转速小时间常数。按小时间常数近似处理，取 +=0.0174s选择转速调节器结构 由于设计要求无静差,故选用PI型

16、电流调节器，其传递函数为转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 =h=5×0.0174s=0.087s转速开环增益 = =396.4ASR的比例系数为 = =15.06检验近似条件 转速环截止频率为 = =396.4×0.087=34.5 1)电流环传递函数简化条件为（）/3（）/3=63.7 2）转速环小时间常数近似处理条件为 （）/3=（）/3=38.7校核转速超调量 当系统是理想空载启动的时候，超调量应该是最大，不如令：Z=0，而又由参数可知：=1.5，R=0.14，Idn=76

17、0A,nN=375r/min，Ce=1.82Vmin/r，Tm=0.112s=0.0174s。当h=5时，由书上表2-7查得 Cmax / Cb=81.2%。因此有 =2(Cmax / Cb)(-Z)(nN/n*)(Tn / Tm)=2×81.2%×1.5×(760×0.14/1.82/375)×0.0174/0.112=5.9%<8% 能满足设计要求。计算调节器电阻和电容取=40，各电阻和电容值为=15.06×40=602.4，取600。 = =145 uF，取150 uF。=4=4×=0.001uF。图7 含给定滤

18、波和反馈滤波的PI型转速调节器3.5 反馈和保护电路电流反馈与过流保护电路的主要功能是检测主电源输出的电流超过某一设定值时发出过流信号切断控制屁输出主电源。电流反馈与过流保护电路的设计思想是利用电流互感器从电机主电路中获取主电路中电流的参数并反馈到电流调节电路当中，使电路拥有电流反馈和过流保护的作用。电流反馈与过流保护电路如图图8电流反馈与过流保护电路 RP7的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从If端输出到电流调节器，反馈系数从RP7中进行调节。而过流动作电流的大小设定由RP8的滑动触头位置决定。该电路当中设有过流复位电流，当系统过流后能手动进行复位或让系统通过一段时间后自动复位，当系统过流后

19、能启动报警装置，进行报警系统调试。 4.转速、电流双闭环直流调速系统MATLAB电路与仿真为了验证调节器参数设计的正确性，需要对设计的系统进行仿真，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.我们可以通过仿真波形观察到所设计的系统式否满足课设题目要求，如果不满足，可以对调节器的参数进行修改，然后再观察波形，直到设计的系统符合要求。在我们实际应用中，仿真是必须的，它能帮助我们节省资金和资源，也帮助我们更好的完成任务4.1.仿真模型的建立（1）打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择FileN

20、ewModel菜单实现。（2）把转速电流上闭环直流调速系统的仿真结构框图所需的模块都已经拖入模型编辑窗口。如图8所示。（3）双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。（4）然后将线路联接组合起来，以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标致终点模块输入端处，则在两模块间产生“”线图9 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真图4.2双闭环直流调速系统空载时仿真(1)仿真参观设定，因为要做空载仿真，则设置负载电流Idl=0A。(2)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮 或选择SimulationStart菜单项，则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果，

21、图10双闭环直流调速系统空载时的仿真波形（3）观察此波形，即可知电流调节器的设计没有问题，最终电流稳定在0A并且无静差。（4）分析此波形，因为做的是空载情况下的仿真，则转速很快的能上升到1800r/min。此时，得到空载时，给定为10V时候的稳定空载转速。（5）转速电流双闭环的空载仿真结束。4.3转速电流双闭环系统满载时的仿真(1)将转速电流双闭环系统的负载设定为满载时，即Idl=220A。(2)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮 或选择SimulationStart菜单项，则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果，如图11所示。图11双闭环直流调速系统满载时的仿真波形（3）分析此波形，发现得到的转速曲线无静差，最终稳定在1800r/min。（4）通过在示波器上细小的观察，发现转速的变化随着电流的变化有分为3阶段。在第一阶段中，转速上升的比较平缓。第二阶段时，转速处于线性增长阶段。第三阶段时，转速调节阶段，此阶段的转速通过超调，恢复到额定值。（5）转速闭环波形仿真结束4.4仿真结果分析一般的系统中，空载时候的超调量最大，从仿真图形可以看出，空载的时候的电流超调量明显小于5%，转速超调量在退饱和的时候的超调量也小于8%。说明设计的系统的起动性能符合课设要求。在系统负载扰动仿真中，系统又表现出良好的抗扰性能。动态速降达到设计要求，充分体现了双闭环系统的优越