双闭环直流调速系统设计与仿真文档格式.doc
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Keywords:
direct-currentvelocitymodulationthyristordoubleclosedloop
符号表
n
转速
r/min
滞后时间常数
s
U
电压
V
积分时间常数
I
电流
A
电动势系数
Vmin/r
R
电阻
励磁磁通
Wb
晶闸管整流器放大系数
L
主电路电感
H
电磁时间常数
机电时间常数
目录
1绪论 1
1.1任务背景 1
1.2直流双闭环调速系统介绍 1
1.3调速系统总体设计 2
2双闭环直流调速系统电路设计 5
2.1晶闸管—电动机主电路的设计 5
2.1.1主电路设计 5
2.1.2主电路参数计算 6
2.2转速、电流调节器的设计 7
2.2.1电流调节器 7
2.2.2转速调节器 10
2.3转速检测和电流检测的电路设计 12
3常规PID控制设计及仿真 13
3.1常规PID控制器理论 13
3.2系统仿真 14
4模糊控制器设计及仿真 20
4.1模糊控制基本理论 20
4.1.1模糊化 20
4.1.2模糊控制规则 21
4.1.3模糊推理 21
4.1.4模糊判决 22
4.2模糊控制器设计 22
4.2.1常规模糊PID控制+积分环节（I）控制 23
4.3运用模糊PID控制对双闭环直流调速系统进行仿真 23
5调速系统的性能比较 31
5.1单闭环直流调速系统与双闭环直流调速系统的比较 31
5.1.1单闭环直流调速系统的分析与设计 31
5.1.2转速反馈闭环调速系统的仿真 32
图5-4电动机电流的仿真结果 33
5.1.3单闭环与双闭环的性能比较 34
5.2常规PID控制与模糊PID控制的比较 35
5.3经济价值分析 36
参考文献 37
致谢 38
III
1绪论
1.1任务背景
自7O年代以来，国内外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术。
尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中晶闸管直流电动机调速技术的应用量还是占有相当的比重。
在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。
传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。
以计算机作为工具的计算和仿真技术能为各种不同的控制系统提供一种方便，灵活多变的“活的数学模型”，在这个“活的数学模型”上进行实验研究，不仅省钱，而且安全，周期短、见效快.鉴于上述优点，我们需要开发和研究既能够进行直流双闭环的系统设计，又能将设计结果进行系统仿真的软件，以方便工程设计和理论学习。
1.2直流双闭环调速系统介绍
双闭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、抗干扰能力强优点。
我们知道反馈闭环系统具有良好的抗绕性能，它对于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，突加负载动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。
但他只是在超过临界电流值以后，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。
在实际工作中我们希望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，是电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载想平衡，从而转入稳态运行。
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启动过程。
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，不在让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又能使它们作用不同的阶段。
在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级连接，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，叫内环；
转速调节环在外面，叫外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
1.3调速系统总体设计
直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）,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。
两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。
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。
由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
如图1-1所示：
电流
检测
三相
全控桥
直流
电动机
_Ui
调节器
三相集成
触发器
速度
给定
Un*+UUi*Uc Ud n
_+
转速
Un
图1-1直流双闭环调速系统
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。
这样构成的双闭环直流调速系统。
其原理图如图1-2所示：
图1-2直流双闭环调速系统原理图
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。
2双闭环直流调速系统电路设计
2.1晶闸管—电动机主电路的设计
2.1.1主电路设计
晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图2-1所示：
图2-1V-M系统主电路原理图
图中VT是晶闸管整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图2-2所示
图2-2三相全控桥式整流电路
通过调节触发装置GT的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。
晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，门极电流可以直接用电子控制；
响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；
运行损耗小效率高；
这些优点使V-M系统获得了优越的性能。
在理想的情况下，和之间呈线性关系：
式中——平均整流电压
——控制电压
——晶闸管整流放大系数
2.1.2主电路参数计算
当整流电路为三相桥式（全波）时：
，取
其中系数0.9为电网波动系数，系数1—1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。
平波电抗器
其中，这里取10%。
2.2转速、电流调节器的设计
转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图2-3所示：
R
Tms
1
Ce
1
Tois+1
电流内环--IdL
1/R
Tls+1
KS
Tss+1
ACR
ASR
Tons+1
+
-U*i-UiUCUd0+E
β
Tois+1
Un
α
TONS+1
n
转速外环
图2-3直流双闭环调速系统动态结构图
由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。
这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。
然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。
由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。
系统设计的一般原则是：
先内环后外环。
在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
2.2.1电流调节器
1.电流调节器设计
含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图2-4所示：
图2-4含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。
2.电流调节器参数选择
1）确定时间常数
a.三相桥式电路的平均失控时间为。
b.电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即。
c.电流环小时间常数之和。
2）选择电流调节器结构
根据设计要求：
稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。
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：
电磁时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：
，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。
3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
。
电流环开环增益：
要求时，应取，
因此
ACR的比例系数为
4）检验近似条件
电流环截至频率：
a.晶闸管整流装置传递函数的近似条件
满足近似条件。
b.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
c.电流环小时间常数近似处理条件
5）计算调节器电阻和电容
由图2-4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为
，取
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。
2.2.2转速调节器
1.转速调节器设计
含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-5所示：
图2-5含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：
调节器的输出是电流调节器的给定电压。
2.转速调节器参数选择
1）确定时间常数
a.电流环等效时间常数
b.转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即
c.转速环小时间常数
2）选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为:
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，则ASR的超前时间常数为：
转速开环增益
ASR的比例系数为
转速环截止频率
a.电流环传递函数简化条件为
满足简化条件。
b.转速环小时间常数近似处理条件为
5）计算调节器电阻和电容
取，则
6）校核转速超调量
当时，，不能满足设计要求。
应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
7）按ASR退饱和重新计算超调量
过载倍数
能满足设计要求。
2.3转速检测和电流检测的电路设计
1.转速检测电路的设计
转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-7所示：
图3-7转速检测电路
2.电流检测的电路设计
使用霍尔电流传感器可以检测电流，把接到霍尔传感器上。
霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。
输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。
如图3-8所示：
图3-8电流检测电路
3常规PID控制设计及仿真
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种的一种控制规则。
实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律的许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。
3.1常规PID控制器理论
常规PID控制器大量应用于工业控制中，并取得了较好的控制效果。
采用计算机实现的常规PID控制算法，其离散控制规律为：
式中：
u（k）————系统输出量
e（k）————系统偏差
（k）————系统偏差变化率
————比例系数
————积分作用系数
————微分作用系数
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，参数、
和的作用如下：
（1）比例系数与系统的响应速度、系统的精度有密切关系。
越大，系统的响应速度越快，系统的稳态精度越高，但易产生超调，而且过大会导致系统不稳定。
如果取值过小，则会降低系统的稳态精度，使响应变慢、延长调节时间，使系统静、动特性变坏。
（2）积分系数用来消除系统的稳态误差。
越大，系统的稳态误差消除越快，但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程产生较大超调。
如果过小，系统稳态误差将难以消除，影响系统的稳态精度。
（3）微分系数可以改善系统的动态特性，其作用主要是在影响过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差变化进行提前预报。
但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且还会降低系统的抗干扰能力。
这三个参数的选择原则除了要考虑到这三个参数对控制系统的影响，还要考虑这三个参数相互间的作用关系。
3.2系统仿真
仿真举例：
某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整理装置采用三相桥式电路，基本数据如下：
直流电动：
220V,136A,1460r/min,Ce=0.132Vmin/r,允许过载倍数=1.5；
晶闸管装置放大系数：
=40；
电枢回路总电阻：
R=0.5；
时间常数：
=0.03s，=0.18s；
电流反馈系数：
=0.05V/A（10V/1.5）；
转速反馈系数：
=0.007Vmin/r（10V/）
设计要求：
设计电流调节器，要求电流超调量5%,同时要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量。
（1）确定时间常数
1）整流装置之后时间常数，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。
2）电流滤波时间常数，三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（1—2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。
3）电流环小时间常数之和。
（2）选择电流调节器结构：
根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。
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。
检查对电流电压的抗绕性能：
，参见相关资料中各项指标都是可以接受的。
（3）计算电流调节参数
要求5%时，参见资料，因此
于是，ACR的比例系数为
（4）校验近似条件
电流环截止频率：
1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
满足近似条件
2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
3）校验电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
（5）计算调节器电容和电阻
电流调节器原理图如图2-4所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下：
取40k
取0.75
取0.2
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为
满足设计要求
1.电流环仿真模型如图3-1所示：
图3-1电流环的仿真模型
在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块（saturation）,它来自于Discontinuities组，双击该模块，把饱和上界（Upperlimit）和下界（Lowerlimit）参数分别设置为所给条件的限幅值+10和-10.
仿真的结果为：
图3-2电流环的仿真结果
2.转速环的系统仿真如图3-3所示：
图3-3转速环的仿真模型
双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，得到起动时的转速与电流响应曲线，如图3-4所示，最终稳定运行于给定转速。
转速环空载高速起动波形图：
图3-3转速环空载高速起动波形图
如把负载电流的设置为136，满载起动，其转速与电流响应曲线如图3-5所示，起动时间延长，退饱和超调量减少。
图3-5转速环满载高速起动波形图
在空载起动稳定运行后突加额定负载得到的仿真结果图3-6：
图3-6转速环的抗扰波形
4模糊控制器设计及仿真
4.1模糊控制基本理论
在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。
然而，对于复杂的系统，由于变量越多，往往难以正确的描述系统的动态性能，于是工程师便利用各种方法来简化系统的动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。
换言之，传统的控制理论对于明确系统
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