三闭环直流调速系统的设计、建模与仿真资料

1、三闭环直流调速统的建模与仿真三闭环直流调速系统的设计一、三闭环直流调速系统总体设计方案三闭环直流调速主电路由双闭环直流调速系统改进而得。 当采用双闭环直流调速系统时，在电流上升阶段，电流急剧上升，变化率很大，会在直流电动机中产生严重后果， 如产生很高的附加电动势及机械传动机构产生强烈的冲击。 为解决这一矛盾，在电流环内设置一个电流变化率环，构成转速、电流、电流变化率的三环系统。转速调节器 ASR 设置输出限幅，以限制最大启动电流。根据系统运行的需要，当给定电压 U n* 后， ASR 输出饱和，电机以最大的允许电流起动，同时由于电流变化率 ADR 环的作用，使电流上升斜率有一定限制，当达到给定

2、的速度后转速超调， ASR 退饱和，电机电枢电流缓慢下降。这样，经三个调节器的调节作用，使系统很快达到稳定。在带电流变化率内环的三环调速系统中， ASR 的输出仍是 ACR 的给定信号，并用其限幅值限制最大电流； ACR 的输出不是直接控制触发电路，而是作为电流变化率调节器 ADR 的给定输入，ADR 的负反馈信号由电流检测通过微分环节 LD 得到， ACR 的输出限幅值则限制最大的电流变化率。最后，由第三个调节器 ADR 的输出限幅值决定触发脉冲的最小控制角。带电流变化率内环的三环调速系统原理图二、电流变化率环的设计电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压 （即外环调节器的输出量） 变化。对电网电

3、压的波动起及时抗扰的作用。 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。电流变化率环的闭环传递函数为KdiWcld1KdiTl TsS2TlTs S 1)di di S(1K di1Kdi式中， K di = K sdi di；d R为 ADR的积分时间常数；为 ADR时间常数调整器的分压比；di 电流微分时间常数；Todi 电流微分滤波时间常数。在该设计中电流变化率调节器ADR选用 PI 调节器 , 取电流微分滤波时间常数Todi 为 0.002 S; 电路中 PI 调节器的电阻 R0 取为 1K, 调节器的电容 Cd 取为 47uF, ADR 时间常数调整器的分压比

4、取0.5 ，得到积分调节器为 10 ；仿真后发现效果不好，S就添加了比例调节器，放大系数取1，得到 ADR的PI 调节器的传递函数为S 10;S一 般取 电 流 微 分时 间常 数 di为 0.01 ，电流检测反馈di 为 0.05， 所 以di Tdi s0.0005 S；Todi s 10.002S 1*( )+Uct (s)U do ( s)Udis1_PIK s1Todi s1T s1RT1 s 1s（ a)didi s STodi s 1二、电流调节器的设计确定时间常数1） 滞后时间常数 Ts =0.0017s（ 2） CeU NRa I N0.132V .min/ rnN（ 3）

5、TmGD 2 R =0.18s375CeCm（ 4）电流环小时间常数 T i 。由题目条件可知 Toi0.002s 。故按小时间常数近似处理，取T iTsToi =0.0037s 。选择电流调节器的结构根据电流超调量i 5% 的要求，电流环按照典型系统设计，电流调节器采用 PI 调节器，其传递函数为：i s1WACR ( s) K isi式中K i 电流调节器的比例系数；i 电流调节器的超前时间常数3.选择电流调节器参数ACR超前时间常数： iTlL0.03sR电流反馈系数： =0.05V/A电流环开环增益：要求i5% 时 , 查表得 K I T i0.5 , 因此K I0.50.5s 113

6、5.14s 1T i0.0037带入以上数据有 ：校验近似条件转速环截止频率为K i K Ii R=1.01K sciK I135.14 1 .s1（1）晶闸管装置传递函数近似条件：ci3Ts而 11196.1s 1ci ，即满足近似条件=3Ts3 0.0017（ 2）忽略反电动势对对电流环影响的条件：1ci3TmTl而 311=40.8ci ，即满足近似条件=30.18 0.03TmTl（ 3）小时间常数近似处理条件：11ci3 TsToi而1111180.8s 1ci ，即满足近似条件3TsToi30.00170.002三、转速环的设计如下确定时间常数已知 Ts ，由电流环设计可知，T i

7、 0.0037son0.01故转速环小时间常数 T n 2T i Ton0.0174s选择转速调节器的结构由于设计要求无静差， 转速调节器必须含有积分环节； 又根据动态要求，应按典型 II 型系统设计转速环。故 ASR选用 PI 调节器，其传递函数为：n s1WASRK nn s式中 Kn转速调节器的比例系数；n转速调节器的超前时间常数。选择转速调节器的参数按题目要求并参照课本相关表格，取h=5，则 ASR的超前时间常数为hT n 5 0.0174s 0.087s转速环开环增益 K Nh 16396.35s 22h2T n22 25 0.01742已知：0.05,Ce 0.132Vmin/ r

8、, Tm0.18s, R0.5,T n0.0174s,0.007(Vr 1min)K n(h1)CeTm6 0.05 0.132 0.1811.7于是 ASR的比例系数为：2h RT n25 0.0070.50.01744. 校验近似条件转速环截止频率为 cn K N n396.350.087 34.48s 1（1）电流环传递函数简化条件：1K IcnT i31K I1135.1463.7s 1cn满足近似条件3T i30.0037（2）转速环小时间常数近似条件：cn1K I3Ton1K I1135.1438.75s 1cn满足近似条件3Ton30.01四、 Simulink环境中的系统模型、

9、仿真结果及分析1.Simulink简介Simulink 是 MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。 在该环境中， 无需大量书写程序， 而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。Simulink是 MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于 MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、 仿真和分析

10、的一个软件包， 被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、 直接明了的方式， 而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提

11、供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 .构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功能，也提供了用 于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问 MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。2双闭环直流调速系统simulink建模与仿真结果在仿真工程中 , 首先根据典型 型或 型系统的方法计算调节器的参数 , 然后利用 MATLAB的 SIMULINK软件进行仿真 , 灵活修改参数 , 直至得到

12、满意的结果 .三闭环直流调速系统仿真结果图如下：双闭环直流调速系统仿真图：三闭环调速系统加入扰动后的仿真图3.结论从仿真结果图中可以看出， 在电机的启动阶段， 电流调节器作用下的电机电枢电流接近最大值， 使得电机以最优时间准则开始上升。 由图可知， 在电流的上升和下降阶段，三闭环系统的过渡时间要比双闭环的过渡时间长，这是因为当电流变化率过大时，由于电流调节器 ADR 的作用，电流上升和下降速度变缓的原因。 除了在电流的上升和下降阶段， 电流变化率环起作用外，其它的启动过程和双闭环相同。 这既保持了双闭环的优点， 又克服了双闭环在启动过程中电流变化率过大的缺点。五、总结通过这次课程设计， 我基本

13、掌握了三闭环直流调速系统的设计。 经过近两周的设计， 通过查阅资料， 基本上掌握了三闭环调速系统的组成原理， 掌握了电流变化率内环的设计方法。在整个仿真过程中遇到了许多问题， 比如先做双闭环调速系统的仿真时，得到的仿真图形不正确，经过检查发现电流环的 PI 调节器的比例系数设置不正确，经过修改后得到可合理的仿真图。再者，做三闭环的仿真时，得到了结果图，不正确，出现了震荡，经过对电流变化率环ADR 参数的反复修改，计算最后得到了比较合理的仿真图。虽然在这次课程设计中我遇到了很多的困难，但是经过自己的努力，问题得到了解决，而且也学到很多的知识， 加深了对课本上理论的理解程度，将自己的所学能运用到实践，锻炼了自己独立解决问题的能力。在此，也由衷感谢老师对自己的指导，这才能顺利的完成课程设计。六、参考文献陈伯时电力拖动自动控制系统 M 北京：机械工业出版社， 2008.王兆安电力电子技术 M 北京：机械工业出版社， 2003.胡寿松 . 自动控制原理 M. 北京：科学出版社， 2007.杨兴姚电动机调速的原理及系统 M 北京：水利电力出版社， 1979.阮毅，陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 M. 北京：机械工业出版社， 2009.薛定宇，陈阳