转速电流双闭环直流调速系统仿真.doc-资料库

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转速电流双闭环直流调速系统仿真摘要：本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统以及对 MATLAB 软件的使用。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用 PI 调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个 PI 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。二者实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE，形成转速电流双闭环直流调速系统。在 Simulink 中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。关键词：双闭环直流调速系统，MATLAB/SIMULINK 仿真，ASR，ACR。课程概述：直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。其次并基于双闭环的电气原理图的 SIMULINK 的仿真，分析了直流调速系统的动态抗干扰性能。采用工程设计方法

对双闭环系统进行合理的设计，并选择了转速调节器，电流调节器以及对它进行参数的计算，分析，得出了系统的的稳态以及动态结构图，并由此建立起了基于跟随性和抗干扰性的 SIMULINK 的仿真模型。最后分析了仿真波形，并进行了合理的调试，规划结构，反复试凑以解决系统的稳、准、快和抗干扰等各方面的矛盾，达到建立更简便实用的工程设计方法的可能！一．转速电流双闭环直流调速系统仿真的原理 1.1 系统的组成转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用 PI 调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图 1-1 所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把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；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统 1.2 系统的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，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图 1-2 所示。图中 ASR 为转速调节器，ACR 为电流调节器，TG 表示测速发电机，TA 表示电流互感器，UPE 是电力电子变换器。图中标出了两个调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压 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。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。

图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图

第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计 2.1 电流调节器的设计 2.1.1 电流环结构框图的化简在图 2-1 点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互相交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数 TL 远小于机电时间常数 Tm，因此，转速的裱花往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图 2-1 所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是式中 -----电流环开环频率特性的截止频率。图 2-1 忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图 2-2 所示，从这里可以图 2-2 等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图

最后，由于 TS 和 TOI 一般都比 TL 小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为则电流环结构框图最终简化成图 2-3。简化的近似条件为图 2-3 小惯性环节近似处理时电流的动态结构框图 2.1.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图 2-3 可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图 2-3 表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成式中 —— 电流调节器的比例系数； —— 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择

则电流环的动态结构框图便成为图 2-4 所示的典型形式，其中图 2-4 校正成典型型系统的电流环动态结构框图 2.1.3 电流调节器的参数计算 1.确定时间常数 1 ）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间。 2）电流滤波时间常数。取。 3 ）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。 4）电磁时间常数、机电时间常数电动势系数。；； 2.选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，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的，因此可采用 PI 型电流调节器。传递函数为： WACR(s)=

检查对电源电压的抗扰性能： 3.计算电流调节器参数电流反馈系数：，电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，按表 2-2，应取，因此 4.校验近似条件电流环截止频率：（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件

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