MATLAB双闭环直流调速系统的工程设计与仿真

1、厦门大学电气工程实践报告实习项目：双闭环DC调速系统的设计与仿真系：电气工程学院专业：电气工程和自动化学校编号：00000姓氏：戈登讲师：日期：2015年5月摘要基于控制系统的传递函数，采用工程设计方法设计了最常用的速度和电流双闭环速度控制系统，并利用MATLAB/Simulink软件对系统进行了仿真。首先，采用常规PID控制设计双闭环DC速度控制系统。电流调节器和速度调节器都使用PID控制器。分别对电流环和速度环的动态性能和抗干扰性能进行了仿真分析。其次，由于速度调节器起主要作用，速度环采用模糊控制，并设计了模糊控制器对双闭环DC速度调节系统进行仿真分析。仿真结果表明，模糊控制具有良好的动态

2、特性和较强的抗干扰能力。关键词：DC汽车；双闭环速度调节；电流回路。速率环内容第一章螺纹理论31.1研究背景31.2国内外DC调速系统研究综述31.3研究双闭环DC调速系统的目的和意义4第二章双闭环DC调速系统的工作原理4第三章工程设计方法53.1分析问题53.2电流环路设计63.3速度环设计6第四章模拟实验7第五章仿真结果分析8第6章一般结论10参考文献11第一章线索理论1.1研究背景DC调速是现代电力传动自动控制系统中较早发展起来的技术。目前，DC调速系统仍是自动调速系统的主要形式，广泛应用于轧钢、采矿、纺织、造纸等需要高性能调速的行业。然而，传统的双闭环DC电机调速系统大多采用传统的PI

3、D控制技术，结构相对简单，性能相对稳定。在实际的拖动控制系统中，电机本身的参数和拖动负载(如惯性矩)并不与模型保持一致，而是在某些特定的场合随工作条件而变化。同时，电机作为被控对象是非线性的，许多拖曳载荷包含间隙或弹性等非线性因素。因此，被控对象的参数变化或具有非线性特征，使得具有线性常数参数的PID控制器往往顾此失彼。它不能使系统在各种工作条件下与设计性能指标保持一致。这通常会降低控制系统的鲁棒性。特别是对于模型参数变化范围大、非线性环节强的系统，常规的PID调节器难以满足高精度、快速响应的控制指标，往往无法有效克服模型参数变化范围大和非线性因素的影响。模糊控制是智能控制的一个重要分支。它被

4、广泛应用于自然科学和社会科学的许多领域。它不依赖于被控对象的精确数学模型，而是将专家的经验和知识转化为语言控制规则。利用这些控制规则对被控系统进行控制，可以克服各种非线性因素的影响，对被控对象的参数具有很强的鲁棒性。对于参数变化较大的被控对象，采用模糊控制具有重要的研究意义。1.2国内外DC调速系统研究综述随着各种处理器的出现和发展，国外对DC速度控制系统的研究也在不断完善。这一领域的研究在20世纪80年代达到顶峰。晶闸管触发脉冲通常用于大型DC电机调速系统。研究人员对控制算法做了大量的研究：模糊PID算法、自适应PID算法、内模控制算法和I-P控制器代替PI调节器算法。目前，瑞典的ABB、德

5、国的西门子和AEG、日本的三菱和东芝、美国的通用电气和西屋电气等国外电气公司已经开发出一批成熟的标准化、系列化和模板化应用产品的数字DC调速装置。自20世纪60年代初，随着我国第一台硅晶闸管的成功试制，晶闸管DC调速系统得到了广泛应用和迅速发展。目前，我国主要采用综合最优控制、补偿PID控制、PID算法优化等方法来研究数字DC速度控制系统。随着各种新型控制装置的迅速发展，DC电机晶闸管调速系统正在向大功率方向发展，控制单元已经小型化、集成化、标准化和模块化。对于一些中小功率设备，正在实现电机和控制设备的集成。特别是近几年，全数字DC调速装置被引进国外厂商，使DC调速系统在理论和实践上达到了一个

6、新的水平。1.3双闭环DC调速系统研究的目的和意义双闭环DC速度控制系统是应用最广泛的DC速度控制系统，具有良好的性能。该系统能获得良好的静态和动态调速特性。该系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交流和DC电气传动自动控制系统的重要基础。通过对速度和电流双闭环DC速度控制系统的理解，可以更好地掌握速度控制系统的基本理论和相关内容，加深对其各种性能的理解，同时也可以发现其缺陷。通过对系统缺陷的改进，可以提高系统的性能，使其适用于各种工作场合，提高其使用效率。在此基础上，对交流调速系统进行了研究，最终掌握了各种交流调速系统和DC调速系统的原理，使它们能够应用于国民经济的各个生产领域。第二章双闭

7、环DC调速系统的工作原理双闭环DC速度控制系统是最典型的速度控制系统，其原理如图1所示。双闭环DC调速系统的特点是电机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，转速调节器的输出由电流调节器给出，因此电流回路可以随着转速的偏差调节电机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用增加输出，即电流增加，通过电流回路调节增加电机电流，使电机获得加速转矩，电机转速增加。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流减小，通过电流回路调节，电机电流减小，电机将由于电磁转矩的减小而减速。当调速器的饱和输出达到极限值时，电流回路将限制dmI以最大电流加速电机，从而使电机的启动时间最小化，实现可

8、逆调速系统中电机的快速制动。在不可逆调速系统中，晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动力矩来快速制动电机。ASR速度调节器；电流调节器；行驶速度发生器；电流互感器；gt-触发装置。-转速给定电压和转速反馈电压；-电流给定电压和电流反馈电压；图1双闭环DC调速系统示意图第三章工程设计方法根据工程设计方法，首先选择满足稳态精度的调节器结构，同时保证系统的稳定性。然后，选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。以双闭环DC调速系统为例，采用三相桥式整流电路和DC独立励磁电机，已知参数为功率P e=1.1kw，额定电流Ie=6.7A，极对P=1，=1500 r/min，励磁电压220V，

9、电枢绕组电阻Ra=2.34，主电路电阻r=7。Lm=246.25 mH(电枢、平滑电感和变压器电感之和)，Ks=58.4，机电时间常数Tm=116.2 ms，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载系数=1.5，电流给定最大值U*in=10V，速度给定最大值U*n=10V。3.1分析问题(1)(2)电流反馈系数(3)速度反馈系数(4)整流器滞后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.0017s。3.2电流环路设计(1)传递函数过程忽略了反电动势变化的动态影响，将反电动势反馈作为电枢电路的电磁时间常数来关闭最终，它们比彼此小得多，所以这堂课被视为一个小惯性环节，相当于一个惯性

10、环节。(2)电流调节器ACR结构的选择根据典型的I系统设计为了消除控制对象的大时间常数的极点(3)电流调节器参数选择，电流调节器超前时间常数照，照这样必须因此3.3速度环设计(1)控制对象传递函数处理在设计速度环时，所设计的电流环可以看作是调速系统中的一个环节。根据电流环的动态结构图，闭环系统的传递函数为而电流调节器设计为KixTi=0.5因此这样的(2)调速器的结构选择为了实现无静差调速，在扰动作用点之前必须建立一个完整的环节，速度环节按类系统设计。使用比例积分调节器速度环增益为(3)调速器的参数选择对于h=5，调节器速度环ASR的超前时间常数为转速的开环增益为：所以速度比例积分调节器第四章

11、模拟实验电流回路和转速回路都由PI调节。整个系统的MATLAB仿真框图如图2所示。图2系统的MATLAB仿真框图第五章仿真结果分析(1)改变调速器的参数积分时间常数从0.053秒变为0.253秒，负载电流为100安，电机速度波形为：图3电机速度波形(4)改变电流回路参数将电流回路积分时间常数从0.205秒更改为0.105秒后，电机速度波形为：图4电机速度波形通过不同给定负载下的仿真波形，可以直观地看到根据理论方法设计的调速系统从启动到稳定运行的各个阶段。电机的起动特性非常接近理想特性，因此系统设计达到了起动特性的预期目的。然而，对于系统性能指标来说，启动过程中的电流过冲达到了近25%，显然这一

12、指标还远未达到理论最优设计。系统尚未调整到最佳状态。进一步调整ASR和ACR参数可以进一步改善系统的动态参数。在仿真过程中，需要进行大量的实验，并适当调整参数，才能获得超调量小、稳定性好的系统。第6章总结通过本次设计，我基本掌握了DC双闭环速度控制系统的设计。具体来说，首先，在了解调速发展历史的同时，我们进一步了解了交流调速系统的发展潜力，掌握了这方面未来的发展趋势。其次，了解双闭环DC速度控制系统的基本组成及其静态和动态特性。第三，我们已经基本掌握了ASR和ACR(速度和电流调节器)的结构选择，以满足系统的动态和静态指标，包括其参数的计算。第四，利用MATLAB仿真系统对建立的双闭环DC速度

13、控制系统进行仿真。同时，对MATLAB的相关功能也更加熟悉本课程的设计综合运用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动及控制技术等知识。为了更好地完成设计，我再次复习了原有的知识，加深了对知识的理解，提高了知识的应用能力，同时使我意识到每门课程都是紧密相连的。简而言之，在设计过程中，我不仅学到了从未接触过的新知识，还学会了独立发现、面对、分析和解决新问题的能力。我不仅学到了知识，还培养了自己的能力，这使我受益匪浅。同时，我感谢在设计中提供帮助的老师和同学。参考周。交流/DC调速系统及MATLAB仿真m。北京：中国电力出版社，20052王兆安，黄军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2008陈。电驱动自动控制系统M。北京：机械工业出版社，2006张丽玲王新。2速度和电流双闭环DC调速系统的设计J.科技信息，2010李传起。电力电子技术计算机仿真实验M。北京：机械工业出版社，20066吕庆民。电力电子技术 J。Xi安：电力电子技术期刊，2011高辛，红莲。2谐波滤波电抗器在生产中的应用J.淮南工学院学报，2001刘、1DC电机驱动的改造与应用J.电气技术杂志，2004电气工程实践成果评价表课程名称电气工程实践标题双闭环DC调速系统的设计与仿真学生姓名学生身份证