三闭环直流调速系统的设计建模与仿真.docx
三闭环直流调速系统的设计建模与仿真三 闭 环 直 流 调 速 统 的 建 模 与 仿 真 三闭环直流调速系统的设计 一、三闭环直流调速系统总体设计方案 三闭环直流调速主电路由双闭环直流调速系统改进而得。当采用双闭环直流调速系统时，在电流上升阶段，电流急剧上升，变化率很大，会在直流电动机中产生严重后果，如产生很高的附加电动势及机械传动机构产生强烈的冲击。为解决这一矛盾，在电流环内设置一个电流变化率环，构成转速、电流、电流变化率的三环系统。转速调节器ASR设置输出限幅，以限制最大启动电流。根据系统*运行的需要，当给定电压Un后，ASR输出饱和，电机以最大的允许电流起动，同时由于电流变化率ADR环的作用，使电流上升斜率有一定限制，当达到给定的速度后转速超调，ASR退饱和，电机电枢电流缓慢下降。这样，经三个调节器的调节作用，使系统很快达到稳定。 在带电流变化率内环的三环调速系统中，ASR的输出仍是ACR的给定信号，并用其限幅值限制最大电流；ACR的输出不是直接控制触发电路，而是作为电流变化率调节器ADR的给定输入，ADR的负反馈信号由电流检测通过微分环节LD得到，ACR的输出限幅值则限制最大的电流变化率。最后，由第三个调节器ADR的输出限幅值决定触发脉冲的最小控制角。 带电流变化率内环的三环调速系统原理图 二、电流变化率环的设计 电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 电流变化率环的闭环传递函数为 Wcld=Kdi1+KdiTTT+TditdiS(lsS2+lsS+1)1+Kdi1+KdiKsbditdi ； rtdR式中，Kdi=td为ADR的积分时间常数； r为ADR时间常数调整器的分压比； tdi电流微分时间常数； Todi电流微分滤波时间常数。 在该设计中电流变化率调节器ADR选用PI调节器,取电流微分滤波时间常数Todi为0.002 S;电路中PI调节器的电阻R0取为1K,调节器的电容Cd取为47uF, ADR10；仿真后发现效果不好，SS+10就添加了比例调节器，放大系数取1，得到ADR的PI调节器的传递函数为;S时间常数调整器的分压比r取0.5，得到积分调节器为一般取电流微分时间常数tdi为0.01，电流检测反馈bdi为0.05，所以bdiTdisTodis+1*di=0.0005S； 0.002S+1U(s) + Todis+1Uct(s) Udo(s) Tss+1T1s+1 1 _ K s 1 R PI 滞后时间常数Ts=0.0017s Ce=UN-RaIN=0.132V.min/r nNGD2R Tm=0.18s 375CeCm电流环小时间常数Tåi。由题目条件可知Toi=0.002s。 故按小时间常数近似处理，取Tåi=Ts+Toi=0.0037s。 2.选择电流调节器的结构 根据电流超调量si£5% 的要求，电流环按照典型I系统设计，电流调节器采用PI调节器，其传递函数为：WACR(s)=Kitis+1tis 式中 Ki电流调节器的比例系数；i电流调节器的超前时间常数 3. 选择电流调节器参数 ACR超前时间常数：ti=Tl=L=0.03s Rb电流反馈系数：=0.05V/A 电流环开环增益：要求si£5%时,查表得KITåi=0.5,因此 KI=0.50.5-1=s=135.14s-1Tåi0.0037带入以上数据有： 4. 校验近似条件 Ki=KI×tiR=1.01 bKs 转速环截止频率为 wci=KI=135.14s-1. 晶闸管装置传递函数近似条件：wci£13Ts 而11=196.1s-1>wci ，即满足近似条件 =3Ts3´0.0017忽略反电动势对对电流环影响的条件：wci³31TmTl 而 311=3´=40.8<wci ，即满足近似条件 TmTl0.18´0.03113TsToi 小时间常数近似处理条件：wci£ 而 1111=´=180.8s-1>wci，即满足近似条件 3TsToi30.0017´0.002三、转速环的设计如下 1. 确定时间常数 已知Ton=0.01s，由电流环设计可知，Tåi=0.0037s 故转速环小时间常数Tån=2Tåi+Ton=0.0174s 2. 选择转速调节器的结构 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型II型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为： WASR=Kntns+1tns 式中 Kn 转速调节器的比例系数； tn 转速调节器的超前时间常数。 3. 选择转速调节器的参数 按题目要求并参照课本相关表格，取h=5，则ASR的超前时间常数为 tn=hTån=5´0.0174s=0.087s h+12hTån22 转速环开环增益KN=6=396.35s-222´25´0.0174 已知：b=0.05,Ce=0.132V×min/r,Tm=0.18s,R=0.5W,Tån=0.0174s,a=0.007(V×r×min)Kn=-1于是ASR的比例系数为：4. 校验近似条件 (h+1)bCeTm6´0.05´0.132´0.18=11.72haRTSn2´5´0.007´0.5´0.0174 转速环截止频率为wcn=KNtn=396.35´0.087=34.48s-1 电流环传递函数简化条件：wcn£1KI3TSi1KI1135.14=»63.7s-1>wcn 满足近似条件 3TSi30.00371KI3Ton转速环小时间常数近似条件：wcn£1KI1135.14=´»38.75s-1>wcn 满足近似条件 3Ton30.01四、Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析 1.Simulink简介 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。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、 非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系 统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用 于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 2双闭环直流调速系统simulink建模与仿真结果 在仿真工程中,首先根据典型I型或P型系统的方法计算调节器的参数,然后利用MATLAB的SIMULINK软件进行仿真,灵活修改参数,直至得到满意的结果. 三闭环直流调速系统仿真结果图如下： 双闭环直流调速系统仿真图： 三闭环调速系统加入扰动后的仿真图 3.结论 从仿真结果图中可以看出，在电机的启动阶段，电流调节器作用下的电机电枢电流接近最大值，使得电机以最优时间准则开始上升。由图可知，在电流的上升和下降阶段，三闭环系统的过渡时间要比双闭环的过渡时间长，这是因为当电流变化率过大时，由于电流调节器ADR的作用，电流上升和下降速度变缓的原因。除了在电流的上升和下降阶段，电流变化率环起作用外，其它的启动过程和双闭环相同。这既保持了双闭环的优点，又克服了双闭环在启动过程中电流变化率过大的缺点。 五、总结 通过这次课程设计，我基本掌握了三闭环直流调速系统的设计。经过近两周的设计，通过查阅资料，基本上掌握了三闭环调速系统的组成原理，掌握了电流变化率内环的设计方法。 在整个仿真过程中遇到了许多问题，比如先做双闭环调速系统的仿真时，得到的仿真图形不正确，经过检查发现电流环的PI调节器的比例系数设置不正确，经过修改后得到可合理的仿真图。再者，做三闭环的仿真时，得到了结果图，不正确，出现了震荡，经过对电流变化率环ADR参数的反复修改，计算最后得到了比较合理的仿真图。 虽然在这次课程设计中我遇到了很多的困难，但是经过自己的努力，问题得到了解决，而且也学到很多的知识，加深了对课本上理论的理解程度，将自己的所学能运用到实践，锻炼了自己独立解决问题的能力。在此，也由衷感谢老师对自己的指导，这才能顺利的完成课程设计。 六、参考文献 1陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业出版社，2008. 2王兆安电力电子技术M北京：机械工业出版社，2003. 3胡寿松.自动控制原理M.北京：科学出版社，2007. 4杨兴姚电动机调速的原理及系统M北京：水利电力出版社，1979. 5阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2009. 6薛定宇，陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用M. 北京：清华大学出版社，2011. 7洪乃刚， 电力电子、电机控制系统的建模和仿真M.北京：机械工业出版社，2010. 8徐小琴，三闭环直流调速系统的仿真研究J.南通职业大学学报，2009. 9张欣宇，带电流变化率内环的三环控制系统的仿真研究J.机械工程与自动化，2010. 10 尔桂花,窦曰轩.运动控制系统M.北京:清华大学出版社,2002
