双闭环调速系统调节器设计及matlab仿真

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1、摘要双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。本文介绍了基丁工程设计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，设计了设计了转速控制环和电流控制环。详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink对直流电动机双闭环调速系统进行数学建模和系统仿真。根据仿真结果分析该调速系统满足我们的设计要求。关键词：双闭环控制系统Simulink电流控制环仿真双闭环调速系统调节器设计及MTALA曲真验证1双闭环直流调速系统1.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济

2、，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对丁被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。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，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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的（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程（b）理想快速起动过程图1-1调速系统起动过程的电流和转速波形在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最

3、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起动，到达稳定转速后，乂让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-1(b)所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由丁主电路电感的作用，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1dm的包流过程，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就能得到近似的包流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能

4、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，乂希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用乂能使它们作用在不同的阶段。1.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行申级连接，如图1-2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和A

5、C股都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，乂能提高系统的稳定性；作为控制器时乂能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图1-2转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Ul转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压；ASR一转速调节器；ACFH电流调节器；TL测速发电机；TA一电流互感器；UP三电力电子变换器双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性n图1-3双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析

6、双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为包值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压小。在稳太时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1.转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，*Un=Un=axn=axn0(1-1)Ui=Ui=Ed(1-2)一一*由式(1-1)可得：n=工=n0a般都是大于从而得到静特性曲线图1-3中的CA

7、段。与此同时，由丁ASE饱和，Ui*Ui*m可知IdIdm,这就是说，C础特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm。而Idm,额定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2.转速调节器饱和这时，ASR俞出达到限幅值Uim,转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时:(1-3)*Id=Idm其中，最大电流Idm取决丁电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合丁nn的情况，因为如果nn。，则UnUn,ASR务退出饱和状态。1.3 双闭环

8、直流调速系统的动态数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。图1-5双闭环直流调速系统的动态结构框图2直流双闭环调速系统电路设计2.1电流调节器设计图2-1电流环动态结构图电流环动态结构图如图2-1所示。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，转速的变化往往比电流变化慢的多。对电流环来说，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本

9、不变。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。(1) 确定时间常数1) 查表可得，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。三相半波整流电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有(12)L=3.33ms,，因此取L=0.002s。2) Tf=TsTOj=0.0037s(2) 选择电流调节器结构I型系统设计电路调节器。根据设计要求Qj壬5%,并保证稳态电流无差，可按典型电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为:Wacr(s)Kj(js1)is(2-1)电流环开环传递函数为:(2-2)Ki(-is1):KsRWopi(s)=P

10、is(Tl1)(4s1)因为TlT笑，所以选择K=Tl,用调节器零点消去控制对象中大的时间常数点，以便矫正成典型I型系统，因此Wopi(s)Ki-KsRis(Tys1)K1s(Tzs1)(2-3)(3) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：$=TL=0.031s。电流开环增益：要求。壬5%，可取KJ习=0.5。Ki0.50.50.00371:135.1sACR勺比例系数KiKiiR135.10.0310.14Ks：750.009-0.869(2-4)(4) 检验近似条件电流环截至频率Ci=K|=135.1sJ1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件:11=s196.1s.ci3Ts30.

11、0017满足近似条件2)检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件:3=350.91ssciTmT.0.1120.0313)检验电流环小时间常数近似处理条件:113TsTOi0.00170.00广=180.8s-ci计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图2-2所示，所用运放取尺=40KQ:R-KR=0.86940K-34.76K1R0.031_33610F=0.86牛Coi4ToiR040.0023610；F=0.22F满足近似条件满足近似条件(2-5)(2-6)(2-7)图2-2含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.2转速调节器设计AeL（5）d(S)I-4*5)图2-3用等效环节代替

12、电流环把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图2-4所示由丁需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型皿型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASF&应该采用PI调节器，其传递函数为：Wasr(S)Kn(nS1)ns(2-8)n(s)图2-4为正为典型n型系统（1）确定时间常数1）电流环等效时间常数为1/KI2）转速滤波时间常数E。取Tn=0.01S。3）转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取11上=一Ton=0.01s=0.0174s。-KI135.1(2)选择转速调

13、节器结构：按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为:WASR(S)Kn(nS1)nS(2-9)则校正后的典型n型系统为:Wn(S)二Kn(nS1)2Sgs1)(2-10)(3)计算转速调节器参数:按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR勺超前时间常数=hTmn=0.087S。转速开环增益为h16/KN=l22=396.4s2hT250.0174(2-11)ASR勺比例系数为(h1)：CeTm60.0091.820.112Kn=-一=16.72h：RT250.0270.140.0174(2-12)(4)检验近似条件：转速环截止频率一_1cn=KNn=396.40.087s34.5s1)

14、电流环传递函数简化条件为1Ki=1135.131匚30.0037cn满足简化条件2)转速环小时间常数近似处理条件为1也=1竺s38.7sf喝满足简化条件。3Ton310.01计算调节器电阻和电容取R0=40K。，WJRn=KnR0=16.730。=668KQ取Rn=680KQ(2-13)Cn=F=0.128PF取Cn=0.15HF(2-14)R68010-4T一一4001一一Con=-=F0叩取Con=1.0PF(2-15)R04010含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-5所示心CnII-图2-5含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.3超调量地计算如果转速调节器没有饱和限幅的约束

15、，调速系统可以在很大范围内线性工作，则双闭环系统起动的转速过渡过程就会产生较大的超调量。实际上，突加给定电压后，转速调节器很快就进入了饱和状态，输出包定的限幅电压Um,使电动机在包流条件下起动，起动电流IdEdm=UL/P,而转速则按线性规律增长。虽然这时起动过程要比调节器没有限幅时慢得多，但是为了保证起动电流不超过允许值，这是必须的。当电动机空载起动时z=0,，作为转速超调量on,其基准值应该是n*,查表可以得出当h=5时，Cmax/Cb=81.2%,则可以求出转速调节器退饱和时转速超调量为max虺竺max)3、AnNKn=I=2九一z):土-ICbJnICbJnTm7600.14T820.

16、0174=281.2%1.51825.9%10%3750.112满足设计要求。3仿真与调试由上面电路设计计算出来的参数，用MATLAIH出方框图，仿真方框图如图3-1所示1E1r115甘网1置空载启动，转速和电流波形如图3-2所示图3-2转速和电流波形由图3-2可得超调量5%,吼1。%,均符合要求。仿真要求空载启动到额定转速，并且、=cosst,在包负载扰动下，我们取题目给定Inm=760A。Steptime设置成2.5,Initialvalue设置为1,Finalvalue设置成0。稳定运行时电流环突然断线仿真得到结果如下:启动转速，如图3-3图3-3启动转速启动电流，如图3-4直流电压Ud

17、,如图3-5图3-5直流电压UdASR、ACR输出波形，如图3-6,3-7图3-6ASR输出波形图3-7ACR输出波形由以上仿真，可以得知双闭环直流调速系统的优点：(1) 具有良好的静特性；(2) 具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小；系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；(3) 由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。4小结与体会本次课程设计让我对双闭环直流调速系统的原理有了进一步的理解，并且使用了Matlab软件仿真集成环境

18、Simulink进行仿真的基本操作方法，使我对Matlab有了进一步的认识。此外，这次课设让我把书本上的理论知识和实际电路仿真联系起来，增强了实践能力。在课程设计过程中，都是按照课本上的设计步骤来做。首先进行对象的分析，设计总体方案，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，确定最终方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。在设计完成后进行仿真，利用MATLAB真，把电路连好设定好参数进入参数调试、仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件、参数问不相匹配和有错的地方，反复修改，直到符

19、合设计要求。通过此次课程设计我发现，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，以增强自己的动手能力。课程设计过程中，知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足丁书本，还要以实践相结合，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助丁完成理论知识的巩固，乂有助丁带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。参考文献1 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统（第4版）.北京：机械工业出版社，2009冯垛生，邓则名.电力拖动自动控制系统.广州：广东高等教育出版社，1998李宜达.控制系统设计与仿真.北京：活华大学出版社,2005薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计.北京：机械工业出版社，2006魏克新.MATLAB语言与自动控制系统设计.北京：机械工业出版社，2006