转速电流反馈控制直流调速系统的仿真终极版.docx

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转速电流反馈控制直流调速系统的仿真终极版

本科课程设计

题目：

转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真

姓名王金良

学院

专业电气工程及其自动化

年级

学号

指导教师

2013年1月11日

转速、电流反馈控制直流调速系统仿真

摘要

转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运行的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统里设置两个调节器，组成串级控制。

本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink对系统进行仿真。

关键词：

双闭环调速、转速、电流、Simulink

一、设计的题目及任务

（一）概述

本次仿真设计需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

（二）仿真题目

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电路，基本数据如下：

直流电机参数为：

额定电压

额定电流

；

额定转速

，

允许过载倍数

；

晶闸管装置放大系数

；

电枢回路总电阻

；

时间常数

；

电流反馈系数

；

转速反馈系数α=0.00666Vmin/r。

（三）要完成的任务

1）用MATLAB建立电流环仿真模型；

2）分析电流环不同参数下的仿真曲线；

3）用MATLAB建立转速环仿真模型；

4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线。

二、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，二者之间实行串级连接，如图1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ACR一般都采用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，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又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。

双闭环调速系统的结构图如：

图1转速、电流双闭环直流调速系统结构图

三、MATLAB计算、建立及仿真

一）、设计思路

设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。

1、从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统。

2、再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。

3、电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。

二）、电流调节器（内环）的设计

matlab的电流环的整体仿真模型如图所示：

（1）电流环各个模块的参数设置

已知题目：

双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路的参数如下：

直流电动机：

220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5；

晶闸管装置放大系数：

Ks=40；

电枢回路总电阻：

R=0.5Ω；

时间常数：

Ti=0.03s，Tm=0.18s；

电流反馈系数：

β=0.05V/A；

转速反馈系数：

α=0.07V·min/r。

1、确定时间常数

1）整流装置滞后的时间Ts。

按表1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）来设置，表1如下所示：

表1

由表可知三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.00167s。

2）电流滤波时间常数Toi。

由上表知道Tsmax=3.33，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms,因此我们取Toi=2ms=0.002s.

3）电流环小时间常数之和TΣi。

按小时间常数近似处理，取

TΣi=Ts+Toi=0.00367s。

2、各模块的设置（除ACR模块）

将各模块的参数输入图1的电流环各模块中即可得到图2所示的仿真模型；

3、ACR参数设置

ACR的传递函数式为：

即：

=Ki+Kp/s

1）电流调节器超前时间常数为：

τi=Tl=0.03s。

2）电流环开环增益Ki：

Ki=KT/TΣi

=KT/0.00367

其中参数关系KT按表2如下所示：

表2

3）KT=0.5时PI传函W=Ki+Kp/s=0.5/0.00367+（0.5/0.00367）/0.03s

=1.0134+33.78/s

同理：

KT=0.25时PI传函W=Ki+Kp/s=0.5067+16.89/s

KT=1时PI传函W=Ki+Kp/s=2.027+67.567/s

4、在Simulink模型窗口工具栏里的Simulation——>ConfigurationParameters菜单项可以更改Starttime和Stoptime的值按需要分别设为0.0s和0.05s或0.1s。

（2）电流环的仿真图形

KT=0.5时，ACR中的PI调节器的传递函数为

=1.0134+33.78/s，

按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图6所示：

其超调量满足σ≦4.3%。

三）、转速调节器（外环）的设计

matlab的转速环的整体仿真模型如图所示：

（1）转速环各个模块的参数设置

由电流环的仿真知电流环的参数取KT=0.5时超调量满足综合条件，电流环模块的值保持不变。

1、确定时间常数

1）电流环的等效时间常数1/Ki。

由上面可知取KiTΣi=0.5，则

1/Ki=2TΣi=0.0074s

2）转速滤波时间常数Ton=0.01s；

3）转速环小时间常数TΣn=1/Ki+Ton=0.0174s；

2、除去电流环各模块按图10所示编号设置如下：

（1）将①框的阶跃输入将Steptime设为0，

Initialvalue设为0，

Finalvalue设为10；

（2）②框对应结构图中的ASR模块，由例题3-2得到的结果，其传递函数设置为

即Gain3设置为11.7，Gain4设置为134.48；

（3）③框的Saturation将其上界（upper）和下界（lower）分别设置为10和-10；

（4）④框的函数式为

α/（Tons+1）=0.00666/（0.01s+1）；

（5）⑥框的函数式1/Ce=1/0.132=7.576；

（6）⑤框的阶跃信号按要求输入：

将Steptime设为0，Initialvalue设为0；

空载（负载电流为0）时，阶跃信号Step1的Finalvalue设为0；

满载（负载电流为136）时，阶跃信号Step1的Finalvalue设为136

（电动机的额定电流为136A）；

做干扰测试时，将Steptime设为1，Initialvalue设为0，Finalvalue设为100。

（二）转速环的系统仿真

1、空载起动时,阶跃信号Step1的Finalvalue输入设为0,仿真波形如图所示：

2、满载起动时，阶跃信号Step1的Finalvalue设为136,仿真波形如图所示：

3、抗干扰性的测试，将阶跃信号Step1的Steptime设置为1，将Initialvalue设置为0，将Finalvalue设置为100（或其他1到136均可做干扰），其他设置不变，仿真如图所示：

四、小结与体会

这次课程设计中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。

本次课程设计让我们对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解，对此设计加深了认识。

通过matlab的仿真，使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。

通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。

同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。

参考文献

[1]阮毅.《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》.北京：

机械工业出版社，2009