双闭环直流调速系统

1、题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真已知：直流电动机：P=60KW,U=220V,I=305A,n=1000r/min,入=2,R=0.08,NNNNaR=0.1,T=0.097s,T=0.012s,T=0.0017s,电枢回路总电阻R=0.2Q。设计要recmls求：稳态无静差，a后，电动机开始转动,由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因此转速调节器ASR的输入偏差电压AUk=U：-Uk数值仍很大其输出电压保持限幅值5；,强迫电流打迅速上升。直到打強,B时.电流调节器ACR很-夬压制了為的增加，标志着这一阶段的结束=lL?n.豆在这一阶段中tASR由不饱和很快达到饱和：而ACR应该不饱和匸

2、图2双.闭坏调速系统起动过程的转速和电流波形第II阶甌tlh是恒流加速阶設。这一阶段是起动过程抽主要乔段n在这个阶段中.A5R始终是饱和的，转速环胡当于开环，系统成为在恒给定下L?fl的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因此系统是加速度恒定，转速呈线性增长，同时电机的电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，正是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud和乞也必须基本上按线性增长才能保持匚恒定.当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的，即打应略低于/盘。第in阶段：血以后是转速调节阶段。当转速上升到给定值/时，转速调节器朋R的输入偏差减小到零，但其输出却由

3、于积分作用，还维持在限幅值U；m7所以电机仍在加速，使转速超调.辕速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，巧和打很快下降，但是，只要打仍大于转速就继续上升，直到Id=1转矩Te=TLJ贝|dn,转速口才到达峰值，此时律咕此后电机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间段为-丄,直到运疔稳岂第III阶段能R和ACR不饱ft,ASR起主导的转速锻节作用，ACR则力图使打尽快跟随U：,即电流环是一个电流随动系统。总上所述,双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1）饱和非线性控制：在不同情况下表现为不同结构的线性系统。2）转速超调：按照PI调节器的特性，只有转速超调，AER的输入偏差电压

4、AS为员值，才能使ASR進饱和=这就是说，采用PI调节器的取闭环调速系统的转速必超谏,速时的转速超调量s兰10%；12电流调节器设计1：确定时间常数。3JI7兀兀=40.38s-1见,满足近似条件；3）校验小时间常数近似处理是否满足条件：%（1/3）页,在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：p=60kW,U=220V,I=308A,n=1000r/min,电动势系数C=0.196TOC o 1-5 h zNNNNeV.min/r,主回路总电阻R=0.18Q,触发整流环节的放大倍数K=35。电磁时间常数sT=0.012s,机电时间常数T=0.12

5、s,电流反馈滤波时间常数T=0.0025s,转速反馈滤波时lm0i间常数T=0.015s。额定转速时的给定电压(U*)=10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压OnnNU*=8V,U=65V。imcm系统的静、动态指标为:稳态无静差，调速范围D=10,电流超调量bW5%,空载起动到额定转i速时的转速超调量b10%。试求：n确定电流反馈系数B(假设起动电流限制在11/屮以内)和转速反馈系数a。试设计电流调节器ACR,计算其参数R、C、C。画出其电路图，调节器输入回路电TOC o 1-5 h zi,iOi阻R=40k0。0设计转速调节器ASR,计算其参数R、C、C。(R=40kQ)nnOn0计算电

6、动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量o。n计算空载起动到额定转速的时间。 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 解：(1)0=U*/1=8V/(1.1*I)=8V/339A=0.0236V/AimdmNa=10/1000=0.01Vmin/r(2)电流调节器设计确定时间常数：a)T=0.00333ssb)T=0.0025soic)T=T+T=0.0025+0.00333=0.00583sTOC o 1-5 h z工i0is电流调节器结构确定：K仕s+1)因为b3T3x0.00333cS“忽略反电势的影响的近似条件:3冶二3彳鼎丽二7906

7、S一1化勺mlc）电流环小时间常数的近似条件：3：齐二3：0.00333:0.0025二口皿役s0i可见满足近似等效条件电流调节器的实现：选R0二40K,则:TOC o 1-5 h zR二KR二0.224x40K二8.96K，取9K.ii0C/R二0.012/（9x103）二1.33yF由此iii HYPERLINK l bookmark18 o Current Document C二4T/R二4x0.0025/40 x103二0.25卩F0i0i0（3）速度调节器设计确定时间常数：a）电流环等效时间常数】/K:因为KT=0.5II为i贝y1/K二2T二2x0.00583二0.01166sI为

8、ib)T二0.015sonc）T二1/K+T二0.01166+0.015二0.02666s工nIon速度调节器结构确定：按照无静差的要求，应选用PI调节器，W(s)二W(s)二ASRK(Ts+1)fL速度调节器参数确定:=hT=hT,取h=5,t=hT=0.1333s工nh+12h+12h2T2工n(h+1)PCT_6x0.0236x0.196x0.12em2haRT2x5x0.01x0.18x0.02666工n2x52x0.026662168.82w校验等效条件6.94cna）电流环近似条件:T为i=185.76cna）电流环近似条件:T为i=185.76=40.43s-13V0.00583

9、b）转速环小时间常数近似：38576=25.2s-10.015cnK-T3=K/=Kt=168.82x0.1333=22.5s-1N1Nncn可见满足近似等效条件。转速超调量的校验(空载Z=0)ACQ%二ACQ%二2*(max)(九一Z)nCb二11.23%10%AnTN戶n*Tm=2x81.2%x1.1x308x0.180.196x10000.026660.12转速超调量的校验结果表明，上述设计不符合要求。因此需重新设计。查表，应取小一些的h,选h=3进行设计。按h=3，速度调节器参数确定如下：e=hT=0.07998sn工nK=(h+1)/2h2T2=4/(2x9x0.026662)=31

10、2.656s-2N工nK=(h+1)PCT/2haRT=4x0.0236x0.196x0.12/(2x3x0.01x0.18x0.02666)=7.6nem工n校验等效条件：=K/Kt=312.656x0.07998=25s-1cnN1Nna)1/3(K/T)1/2I为i二1/3(85.76/0.00583)a)1/3(K/T)1/2I为icn=25.2s-1ocnb)1/3(K=25.2s-1ocnIon可见满足近似等效条件。转速超调量的校验：Q二2x72.2%x1.1x(308x0.18/0.196x1000)x(0.02666/0.12)二9.97%10%n转速超调量的校验结果表明，上述

11、设计符合要求。速度调节器的实现：选R=40K,则R=KxR=7.6x40=304K，取310K。0nn0C二t/R二0.07998/310 x103二0.258yFnnnC二4T/R二4x0.015/40 x103二1.5yFonon04)40%额定负载起动到最低转速时：Q%二2x72.2%x(1.1-0.4)x(308x0.18/0.196x100)x(0.02666/0.12)二63.5%n仅考虑起动过程的第二阶段。仅考虑起动过程的第二阶段。GD2dn根据电机运动方程：375TT,dteLdtdnC(II)GD2dn根据电机运动方程：375TT,dteLdtdnC(II)R(II)dLmd

12、mGD2It?RdmdL(II)厂Gd2RdmdLCTCeme375CCme0.196*0.12*1000=0.385s所以：(II)R(1.1*3080)*0.18dmdL2系统仿真1.1理论计算参数仿真分析根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图2所示。在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输岀波形,如图3o團2直流双闭环调速系统的仿真模型團3额茜专速空载时转速仿真減形團4调整后的转速仿真波形从图3中可知：1：转速超调量为25%,转速超调量过大，系统相对稳定性弱；2：整个起动过程只需0一6秒，系统的快速性较好。1.2仿真调试分析诵过以上仿真分析，与

13、理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。为什么会岀现上述情况，从理论的设计过程中不难看岀，因为在典型系统的最佳设计法时，将一些非线性坏节简化为线性环节来处理，如滞后坏节近似为一阶惯性，调节器的限幅输岀特性近似为线性环节等。经过夫量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标，找岀最佳参数为：jK.=0.33?T.=0.022；fL8,1./?巧=0.3其转速波形如图4所示。从图4中可知：1:转速环超调量为6%?超调量符苛要求2：整个起动过程约为0.S秒，系统的快速性仍较好。3结论以上分析表明，利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试

14、使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。陈伯时电力拖动自动控制系统律三版）.北京：机械工业岀版社，2004；陈桂明等.应用MATLAB建模与仿真.北京：科学岀版社，2叽姬宣德等.基于matlab的矢量控制系统仿真矿山机械2005.K鼬turmnDi：0，T4*1D匚”D.13.+TrjnsftriFcr1rjnrtfF沁IfsnstarFETiS2D015050-imeoffset:01005

15、0L010.(1150.020.0251030.0350.040.045105QScop*Ir回管自色归兄盹!aia日垢II250150100500.01Q020.030.040050.0S0.07O.(N003回0limpoffset：0回18Q0T1600140012001000800eoo40Q200r200D.2050.6寻自IPIPPE遛ea回18Q0T1600140012001000800eoo40Q200r200D.2050.6寻自IPIPPE遛eaTimeoffset:0Timeoffset011c_ovjnfflTT古点：田油我扌云的出、点知上匕:由丹冷犬分析：启动过程的第一

16、阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果

17、要好于本次的仿真结果。4.23仿真结果3A5节转速环设计举例ASRL调节器传递函数为11.7+134.48输入模块阶跃值11.7+134.48输入模块阶跃值设置为1C时的系统仿真结果如图所示=负载电流负载电流设置为137时仿真结果如下图4-9所示=妇果在负载电流TdL的輸入端加上负载电濟，利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进疔仿真，空载运行过程中受到了额定电流扰动时的转速与电流仿真结果图下图4-10所示。图4-10$速环的抗扰波形图4.2.4仿真结果分析由图4-8仿真结果可以看到转連调节器经过了不宪和、饱和、退宪和三个阶段，最终稳定在给定的转速不变。由图4-9可以看岀：当把负载电流设置

18、为137时.电机淋载启动.此时启动时间较长:，退饱和超说量滅少=由图4-10转速环的抗扰波形图可以获知：当在负载电流Iji(s)的输入谎加上负载电流时直流电机空载运行受到额定电流扰动时特性。通过三个图很好的说明了电机的运行特性备注：MATL.AB/SIMLINK各个模块的用途，陆卩:求取系统单位阶跃响应创皿对输入信号进行求和对输入信号乘上一个常数增益Scope:在仿真过程中显示信号Saturation:对输入信号进行限幅Mux:把几个信号合并成向量形式陈怕时，电力拖动自动控制至统呦.第3版，机械工业出版社，2003.7刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真沙第2版电子工业出版社，2004.9樊立萍，袁德成.林伟.直流调遠系统的双闭环自适应控制J.沈由化工学院学报,2000年9月，第14卷,第3期:2222274近代电权调速技术卫.上海宝钢奠团教育青训中心，2004引顾绳谷.电机与拖动基础.北京：机械工业出版社，20056吴麒.自动控制原理EM.北京：清华大学出版社,1992了阮毅，陈伯时电力传动系统的转矩控刮规律J电气传动1999(1)8陶永华，尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用ML北京:机械工业出版社,1998