logo资料库

原创基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真-基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真1.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.95M 资料格式：doc 举报 版权申诉
第1页 / 共10页
第2页 / 共10页
第3页 / 共10页
第4页 / 共10页
第5页 / 共10页
第6页 / 共10页
第7页 / 共10页
第8页 / 共10页
资料共10页，剩余部分请下载后查看
    基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真 宋友志 摘要：本文介绍了基于工程设计方法对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制 系统的工作原理，详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink 进行直流电动 机双闭环调速系统的数学建模和系统仿真。最后显示控制系统模型以及仿真结果并加以 分析。 关键词：转速环；电流环；调节器；Simulink Designation and Simulation of Double Loop DC Motor Control System Based on Matlab Abstract:This paper introduces a design method of DC system based on engineering, according to its working principle,analyzing the dynamic process and the parameters designation detailedly,modeling and simulating were carried out to the dual closed- loop control system of the direct current motor by using Simulink.In the end, analyzing the simulation results. Key words:loop of revolution rate;loop of current;regulator;Simulink 一 转速、电流双闭环控制系统 一般来说，我们总希望在最大电流受限 下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电 制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态 电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩 入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如 为实现在约束条件快速起动，关键是要有一 保持在最大值的恒流过程。根据反 图 1 n 0 系统理想起动过程 dmi n dli 制 的 情 况 力 拖 动 控 转 速 后 ， 平 衡 ， 进 图 1 所示。 个 使 电 流 转 速 调 节 t 馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流 负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。起动过程中，电动机转速快速上升， 而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速 保持恒定，应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制
    阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。如图 2 所示。 图 2 双闭环直流调速控制系统原理图 参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统 的动态结构图。如图 3 所示。 图 3 双闭环直流调速系统动态结构图 在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。 因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数 oiT 按需要而定。 滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在 给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。 由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数 用 onT 表示[2]。 二 双闭环控制系统起动过程分析
    前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程， 因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系 统突加给定电压 * nU 由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图 4 所示。由于在起动 过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为 三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。 第Ⅰ阶段：0～t1 是电流上升阶段。突加给定电压 * nU 后，通过两个调节器的控制作用， 使 ctU 、 0dU 、 dI 都上升，当 I  后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速 d dL I 的增长不会太快，因而 ASR 的输入偏差电压  U  n UU  * n 数值较大并使其输出达到饱 n 和值 * imU ，强迫电流 dI 迅速上升。当 I  时， d dm I i UU  ，电流调节器 ACR 的作用使 dI * im 不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR 由不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的 调节作用。 图 4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 第Ⅱ阶段：t1～t2 是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中， ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定 * imU 作用下的电流 调节系统，基本上保持电流 dI 恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于 ACR 的参数）， 因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又 U 0 d IR d d nC  e ，n↑→ 0dU ↑→ ctU ↑，这样才能保持 dI =cont。由于 ACR 是 PI 调节器，要使它的输出量按线性增长，其输
    入偏差电压  UUU   * i i 必须维持一定的恒值，也就是说， dI 应略低于 dmI 。此外还应 i 指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时 整流装置的最大电流 mdU 0 也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须 注意的。 第Ⅲ阶段：t2 以后是转速调节阶段。此时 n  ， *n U  ， n U * n  nU 0 ，但由于积分 作用， U  ，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当 * i U * im n  时， *n  nU 0 ，使 ASR 退出饱和状态，其输出电压即 ACR 的给定电压 * iU 迅速下降， dI 也迅 dn ， dt T  ， e 0 T L 速下降。但由于 I  ，在一段时间内，转速仍继续增加。当 d dL I I  时， d dL I n 达到最大值（t3 时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流 dI 也出现 一段小与 dLI 的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR 与 ACR 都不饱和， 同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR 处于主导地位，而 ACR 的作用则是力图使 dI 尽快地跟随 ASR 的输出量 * iU ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 总上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：  饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。  准时间最优控制。Ⅱ阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控 制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍 地得到应用。  转速必超调。按照 PI 调节器的特性，只有转速超调，ASR 的输入偏差电压 nU 为负 值，才能使 ASR 退饱和。这就是说，采用 PI 调节器的双闭环调速系统的转速必超调。 三. 双闭环直流调速系统工程设计举例 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路，基本 数据如下： 1.直流电动机： U N  220 V 、 I N  136 A 、 nN  1460r / min ， Ce  .0 132 /( rV  min 1 ) ， 允许过载倍数λ=1.5； 2.晶闸管装置放大系数： 40sK ； 3.电枢回路总电阻：R=0.5Ω；
    4.时间常数： Tl 03.0 s ， Tm 18.0 s ； 5.电流反馈系数：  * U im 5.1 I N  10  5.1 136  05.0 AV / ； 6.转速反馈系数： * nm N U n   10 1460  .0 007 /( rV  min 1  ) 。 设计要求：①静态指标：无静差；②动态指标：电流超调量 %5i ，空载起动到额 定转速时的转速超调量 %10n 。 在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态 精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的 顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成 环节[3]。由于典型Ⅰ型系统的跟随性能由于典型Ⅱ型系统，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能优 于典型Ⅰ型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型Ⅰ型系统设计 电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型Ⅱ型系统设计。工程设计法是建立在频 率特性理论基础上的，只需将典型Ⅰ系统和典型Ⅱ系统的开环频率特性作为调速系统仅 有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：  对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。  根据具体情况选定预期特性，即典型Ⅰ系统或典型Ⅱ系统，并按照零极点相消的 原则，确定串联调节器的类型。  根据要求的性能指标，确定调节器的有关 P、I、D 参数。  画出相应的调节器参数，并确定有关 RC 网络参数。  校验。 （一）电流环的设计 1.确定时间常数 （1）整流装置滞后时间常数 sT 。三相桥式电路的平均失控时间 Ts .0 017 s ； （2）电流滤波时间常数 oiT 。三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms，为了基本滤平波 头，应有 2~1  Toi  33.3 ms ，因此取 Toi  2 ms  .0 002 s ； （3）电流环小时间常数 iT 。按小时间常数近似处理，取 T  i T s  T oi .0 0037 s 。 2.确定将电流环设计成何种典型系统
    根据设计要求 %5i ，而且 T l T i  03.0 0037 .0  11.8  10 ，因此，电流环可按典型Ⅰ型系 统设计。 3.电流调节器的结构选择 电流调节器选用 PI 型，其传递函数为：   sW ACR  K i  1 s i  i s 4.选择电流调节器参数 ACR 超前时间常数：  i Tl 03.0 s ； 电流环开环增益：因为要求 %5i ，故应取 ITK 5.0i ，因此 K I  5.0 T  i  5.0 0037 .0  135 11.  s 于是，ACR 的比例系数为 K i  K I R  i K  s  135 03.01.   05.0  5.0 40  .1 013 。 5.计算电流调节器的电路参数 电流调节器原理如图 5 所示，按所用运算放大器，取 R 0  K 40  ，各电阻和 电容值计算如下： 图 5 电流调节器原理图 R i  RK i 0  .1 013  40  52.40 K  ，取 K40 ； C i   i R i  003 .0 40  10 3  75.0 F  ，取 F75.0 ；
    C oi 4  T oi R 0 .04 002  40 3  10  2.0 F ，取 F2.0 。 6.校验近似条件 电流环截止频率 i  K I  135 11.  s （1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足 1 T3 ci s 。 因为 1 3 T s  1 0017 .03   196 11. s  ci ，所以满足近似条件。 （2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足 3 ci 1 TT lm 。 现在 3 1 TT lm  3 1  18.0 03.0  82.40 s 1  ci ，满足近似条件。 （3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件 1 3 ci 1 TT oi s 。 现在 1 3 1 TT oi s  1 3 1  .0 017 .0 002  180 18. s  ci ，满足近似条件。 （二）转速环的设计 1.确定时间常数 （1）电流环等效时间常数为 2 T i  .0 0074 s ； （2）转速滤波时间常数 onT 。根据所用测速发电机纹波情况，取 Ton 01.0 s ； （3）转速环小时间常数 nT 。按小时间常数近似处理，取 T  n  2 T  i  T on  .0 0174 s 。 2.确定将转速环设计成何种典型系统 由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求， 应按典型Ⅱ型系统设计转速环。 3.转速调节器的结构选择 转速调节器选用 PI 型，其传递函数为：   sW ASR  K n  1 s n  n s 。 4.选择转速调节器参数 按跟随和抗绕性能都较好的原则取 h=5，则
    ASR 超前时间常数：  n  hT n   .05 0174  .0 087 s ； 转速开环增益： K N  1 h  2 2 TTh n 2  6 .0  0174 2 2  25  396 4. ；于是 ASR 的比例系数为： K n    1 h TC   me 2 RT h  n  05.06   07.052  5.计算转速调节器的电路参数 .0  132  .05.0  18.0 0174  7.11 。 转速调节器原理图如图 6 所示，按所用运算放大器，取 R 0  K 40  ，各电阻 和电容值计算如下： 图 6 转速调节器原理图 R n  RK n 0  7.11  40  468 K  ，取 K470 ； C n   n R n  087 .0 470  10 3  .0 185 F  ，取 F2.0 ； C on 4  T oi R 0 01.04  40 3  10  1 F ，取 F1 。 6.校验近似条件 转速环截止频率  cn  K N  1  K  nN  396 .04.  087  5.34 s 1  （1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足  cn  1 5 T n 。
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料