《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)仿真

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1、《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 課程設計任務書 學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)仿真 初始條件： 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據如下：直流電機參數(shù)為：額定電壓,額定電流；額定轉速,，允許過載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時間常數(shù)；電流反饋系數(shù);轉速反饋系數(shù) 要求完成的主要任務: （1）用MATLAB

2、建立電流環(huán)仿真模型； （2）分析電流環(huán)無超調、臨界超調、超調較大仿真曲線； （3）用MATLAB建立轉速環(huán)仿真模型； （4）分析轉速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線； （5）電流超調量，轉速超調量。 參考文獻： [1] 洪乃剛.《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.北京：機械工業(yè)出版社，2005:164-169 時間安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，歷時一周半，具體進度安排見下表 具體時間 設計內容 12.5 指導老師就課程設計內容、設計要求、進度安排、評分標準等做具體介紹；學生確定選題，明確設計要求 12.6－12.9 開始

3、查閱資料，完成方案的初步設計 12.10—12.11 由指導老師審核仿真模型，學生修改、完善并對仿真結果進行分析 12.12－12.13 撰寫課程設計說明書 12.14 上交課程設計說明書，并進行答辯 指導教師簽名： 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 摘要 轉速、電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)是靜、動態(tài)性能優(yōu)良、應用最廣泛的直流調速系統(tǒng)，對于需要快速正、反轉運行的調速系統(tǒng)，縮短起動、制動過程的時間成為提高生產效率的關鍵。為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在

4、系統(tǒng)里設置兩個調節(jié)器，組成串級控制。本文介紹了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的基本原理，而且用Simulink對系統(tǒng)進行仿真。 關鍵詞：雙閉環(huán)調速、轉速、電流、Simulink 《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 目錄 1 設計的初始條件及任務 1 1.1概述 1 1.2初始條件 1 1.3要完成的任務 1 2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理 2 2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹 2 2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 3 2.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)兩個調節(jié)器的作用 3 3電流環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 4 3.1電流調節(jié)器的設計 4 3.2電流環(huán)仿真模型設計 5 3.3電流環(huán)調節(jié)

5、器分析 5 4轉速環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 7 4.1轉速調節(jié)器的設計 7 4.2轉速環(huán)仿真模型設計 8 4.3轉速環(huán)的系統(tǒng)仿真 8 5小結與體會 10 參考文獻 11 《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)仿真 1 設計的初始條件及任務 1.1概述 本次仿真設計需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清

6、晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。 1.2初始條件 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據如下：直流電機參數(shù)為：額定電壓,額定電流；額定轉速,，允許過載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時間常數(shù)；電流反饋系數(shù)；轉速反饋系數(shù)。 1.3要完成的任務 1）用MATLAB建立電流環(huán)仿真模型； 2）分析電流環(huán)無超調、臨界超調、超調較大仿真曲線； 3）用MATLAB建立轉速環(huán)仿真模型； 4）分析轉速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線； 5）電流超調量，轉

7、速超調量。 2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理 2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹 雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。 在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)

8、是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖2-1a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增

9、長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n n (a) (b) (a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程 圖2-1 調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題

10、是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。 2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調

11、速系統(tǒng)。 該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。 M TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + - Uct TA + - Ud Id UPE - TG 環(huán) n i 外環(huán) 內環(huán) 圖2-2 轉速、電流雙閉

12、環(huán)直流調速系統(tǒng) 2.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)兩個調節(jié)器的作用 1)轉速調節(jié)器的作用 （1）使轉速n跟隨給定電壓變化，當偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。 2)電流調節(jié)器的作用 （1）在轉速調節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。 （2）對電網電壓波動起及時抗擾作用。 （3）起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動。 （4）當電機過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。 3電流環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 3.1電流調節(jié)器的設計

13、 確定時間常數(shù)，電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間近似處理 根據設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可將電流環(huán)校成典型Ⅰ系統(tǒng)，典型Ⅰ系統(tǒng)的跟隨性較好，超調量較小。設傳遞函數(shù)的形式為： 計算電流調節(jié)器的參數(shù) 電流調節(jié)器的超前時間參數(shù)： 電流開環(huán)增益 ：要求時，應該取,因此： 根據上述的設計參數(shù)，電流環(huán)可達到的動態(tài)跟隨性能指標為，符合設計要求。 3.2電流環(huán)仿真模型設計 圖3-1 電流環(huán)仿真模型 3.3電流環(huán)調節(jié)器分析 1）KT=0.5時，按典型系統(tǒng)的設計方法得到的PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應的仿真輸出的波形：

14、 圖3-2 電流環(huán)臨界超調輸出波形 2）KT=0.25時，按典型系統(tǒng)的設計方法得到的PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應的仿真輸出的波形： 圖3-3 電流環(huán)無超調輸出波形 3）KT=1.0時，按典型系統(tǒng)的設計方法得到的PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應的仿真輸出的波形： 圖3-4 電流環(huán)超調較大輸出波形 總結：從以上各電流環(huán)的圖形得出KT越大時上升時間越快，但同時超調量也比較大，當KT=0.5時，各項動態(tài)參數(shù)較合理。 4轉速環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 4.1轉速調節(jié)器的設計 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)。取，則：

15、 設計PI調節(jié)器，起傳遞函數(shù)為： 計算轉速調節(jié)器參數(shù) 按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為： 進而可求得，轉速環(huán)開環(huán)增益： 可求得ASR的比例系數(shù)為： 4.2轉速環(huán)仿真模型設計 圖4-1 轉速環(huán)仿真模型 4.3轉速環(huán)的系統(tǒng)仿真 1）PI調節(jié)器按照計算出來的結果：?？蛰d起動時波形為： 圖4-2 轉速環(huán)空載起動輸出波形 2）滿載運行時起動的波形： 圖4-3 轉速環(huán)滿載高速起動輸出波形 3）抗干擾性的測試： 圖4-4 轉速環(huán)的抗干擾輸出波形 11 5小結與體會 這次課程設計中，我們學到了許多課堂

16、上學不到的東西，尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多時間和精力。 本次課程設計讓我對《電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)》的核心內容---轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)有了更深的理解，對典型I系統(tǒng)設計加深了認識。通過matlab的仿真，使我對雙閉環(huán)反饋控制的直流調速系統(tǒng)有了直觀的印象。 課程設計是對我們在這學期學到的電力拖動自動控制系統(tǒng)這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結合時間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內在創(chuàng)新意識的途徑。通過對系統(tǒng)的設計，讓我們對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)各個部分都有所認知。同時也可以通過課程設計，了解理論

17、知識哪些方面比較薄弱，及時查漏補缺。 參考文獻 [1]洪乃剛.《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.北京：機械工業(yè)出版社，2005 [2]阮毅.《電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)》.北京：機械工業(yè)出版社，2009 [3]陳伯時.《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（第2版）.北京：機械工業(yè)出版社,2004 [4]楊庚辰.《自動控制原理》.西安：西安電子科技大學出版社，2005 [5] A. M. Hava, R. J. Kerkman and T. A. Lipo.《A high-performance generalized discontinuous PWM algorithm》.Ind.Applicat.1998