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  • 基于Matlab的单闭环直流调速系统仿真实验设计 参考文献

    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,2004.

    1 仿真过程

    1.1 仿真对象:单闭环直流调速系统

    直流电动机采用型号Z4-132-1,额定电压,额定电流,额定转速为2610r/min,反电动势系数0.14559,允许过载倍数1.5 ;PWM变换器开关频率:8KHz,放大倍数:107.5;直流母线电压为538V。电枢回路总电阻:0.368Ω;时间常数:电枢回路电磁时间常数0.0114s,电力拖动系统机电时间常数0.18s;转速反馈系数0.00383Vmin/s;对应额定转速时给定的电压10V。

    1.2 仿真总图

    单闭环直流调速系统仿真总图

    1.3 仿真结果

    1.3.1 给定负载
    对给定负载用分别采用比例调节器和比例积分调节器进行仿真。给定负载为额定负载,即设置step1Id的值为52.2。其中比例调节器即将比例积分调节器的积分一路断开即可。
    比例控制时空载启动转速波形

    图1 比例控制时空载启动转速波形

    比例积分控制时空载启动转速波形

    图2 比例积分控制时空载启动转速波形

    表一 比例与比例积分空载启动时稳态静差和动态性能进行比较表一

    分析可图1、图2、表一,比例积分控制器在稳定之后转速n=2610r/min,等于额定转速,为无静差系统。而单纯的比例控制器在稳定后转速达不到额定转速,属有静差系统。这是因为比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状,而积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史,因此积分控制可以实现无静差调速。由上表可知,相较于比例,比例积分的稳态性能好,动态性能较差。比例部分能够迅速响应控制作业,积分部分则最终消除稳定误差但会在一定程度上影响动态性能。

    1.3.2 突增负载
    对突增负载用分别采用比例调节器和比例积分调节器进行仿真。在上述基础上在4s时突增50%的负载,也即在step2处加一个发生在四秒时刻大小为26.1的阶跃。

    在这里插入图片描述
    图3 比例控制时空载启动时转速、转速调节器、电流输出波形在这里插入图片描述

    图4 比例控制时负载突增时转速、转速调节器、电流输出波形
    在这里插入图片描述
    图5 比例积分控制空载启动时转速、转速调节器、电流输出波形在这里插入图片描述
    图6 比例积分控制负载突增时转速、转速调节器、电流输出波形

    1.4 仿真分析

    当负载突增时,积分控制的无静差调速系统动态过程曲线如图六。在稳态运行时,转速偏差电压必为零。如果不为零,则继续变化,就不是稳态了。在突加负载引起动态速降时产生,达到新的稳态时,又恢复为零,但 已从上升到 ,使电枢电压由 上升到 ,以克服负载电流增加的压降。

    比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点,又克服了各自的缺点,扬长避短,互相补充。比例部分能迅速响应控制作用,积分部分则最终消除稳态偏差。

    2 结论

    在有静差转速负反馈单闭环直流调速系统中,由于采用P调节器,稳态时转速只能接近给定转速值,而不可能完全等于给定的转速值。提高开环增益只能减小转速降落而不能完全消除转速降落。为了完全消除转速降落,实现转速无静差调节,采用PI调节器代替P调节器,就构成无静差转速负反馈直流调速系统.而本文用Matlab/Simulink仿真技术实现了上述有静差和无静差转速单闭环直流调速系统的仿真建模,并给出了转速调节器参数改变时调速系统的仿真分析结果。实验结果表明,单闭环直流调速系
    统的调速性能仿真结果和理论上推导的调速性能相一致。

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    课本《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》
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    参数设置

    器件 Value
    Step step time=0,final value=10
    Gain 1=10,2=7,3=0.368/0.18,4=1/0.1459,5=0.00383
    Integrator upper saturation limit=5,lower saturation limit=-5
    Saturation upper limit=5,lower limit=-5
    Repeating sequence time value=[0 0.125e-3],output values[5 -5]
    DC Voltage Source 538V
    Transfer fcn numerator coefficients=[1/0.368],denominator coefficients=[0.0144 1]

    模型展示

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  • 转速反馈单闭环直流调速系统仿真

    千次阅读 2021-03-21 19:17:37
    直流电机模型框图如下图所示,仿真参数为R=0.6,Tl=0.00833,Tm=0.045,Ce=0.1925。本次仿真采用算法为ode45,仿真时间5s。 图1 直流电机模型 1、开环仿真: 用simulink实现上述直流电机模型,直流电压Ud0取...

    直流电机模型框图如下图所示,仿真参数为R=0.6,Tl=0.00833,Tm=0.045,Ce=0.1925。本次仿真采用算法为ode45,仿真时间5s。

     

    图1 直流电机模型

    1、开环仿真

    用simulink实现上述直流电机模型,直流电压Ud0取220V,

    0~2.5s,电机空载,即Id=0;

    2.5s~5s,电机满载,即Id=55A。

    画出转速n的波形,根据仿真结果求出空载和负载时的转速n以及静差率s。改变仿真算法,观察效果(运算时间、精度等)。

        仿真模型图为:

     

         示波器所示转速波形为:

     

    读图知:空载时转速n=1143r/min,负载时转速n=971r/min,静差率s=15.048%

          改变仿真算法:

          ①ode23                         ②ode113

     

          ③ode15s                        ④ode23s

       

          ⑤ode23t                        ⑥ode23tb

      

    改变仿真算法,转速波形基本没有发生变化。

    2、闭环仿真

         在上述仿真基础上,添加转速闭环控制器,转速指令为1130rpm,

    0~2.5s,电机空载,即Id=0;

    2.5s~5s,电机满载,即Id=55A。

     

    图2 转速闭环直流电机调速控制框图

    1. 控制器为比例环节:试取不同kp值,画出转速波形,求稳态时n和s并进行比较。

    仿真模型图为:

     

    示波器所示转速波形为:

       Kp=0.5

     

       空载转速n=816r/min,稳态时转速n=768r/min,静差率s=5.88%

       Kp=1

     

          空载转速n=948r/min,稳态时转速n=920r/min,静差率s=2.95%

      

     (2)控制器为比例积分环节,设计恰当的kp和kI值,并与其它不同的kp和kI值比较,画出不同控制参数下的转速波形,比较静差率、超调量、响应时间和抗扰性。

        仿真模型图为:

        示波器所示转速波形为:

       Kp=1,Ki=1

     

          在仿真时间内并未达到稳定状态,有超调量

          Kp=1,Ki=5

     

    空载转速n=1130r/min,稳态时转速n=1130r/min,静差率s=0,超调量=3.54%

    闭环反馈控制系统是按被调量的偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏差,它就会自动产生纠正偏差的作用。而转速降落正是由负载引起的转速偏差,显然,闭环调速系统应该能大大减少转速降落。

    (1)控制器为比例环节时

    由实验波形可知,Kp值越大,稳定后的转速n就越大,超调量也越大,静差率s则越小。静差率s反映的是闭环反馈效果,s越小,闭环反馈效果则越好,即Kp值越大,闭环反馈效果则越好。在实际中,我们希望得到的是超调量小(即希望Kp小)和闭环反馈效果好(即希望Kp大)的系统,但是这二者却是相互矛盾的,我们只能从中选取一组最优平衡值,使得在较小超调量和较好反馈控制下系统能够最大限度的最好工作。

    (2)控制器为比例积分环节时

    超调量和响应时间受Kp、Ki共同控制,在相同Kp下,Ki越大,上升速度越快,响应时间越短,超调量越大;在相同Ki下, Kp越大,上升速度越快,响应时间越短,超调量越大。即Kp*Ki的值越大,上升速度越快,响应时间越短,但是超调量越大(Kp小于1时无超调量)。

    静差率在仿真时间内为0,即实现了无静差调速系统。

    当Kp取一定值时,Ki的值在增大到一定程度时,会产生振荡发散现象。

    比较开环系统与闭环系统知,开环调速系统受到外界的干扰信号影响较闭环调速系统大;闭环系统的静差率比开环系统的小,且带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统,而采用比例积分调节器的闭环调速系统则基本上实现了无静差调速,闭环反馈效果较好。

    D17

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    《基于MATLAB的双闭环直流调速系统仿真研究》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于MATLAB的双闭环直流调速系统仿真研究(12页珍藏版)》请在人人文库网上搜索。

    1、基于MATLAB的双闭环直流调速系统仿真研究摘要:本次的实验内容介绍了双闭环直流调速系统的原理及组成,并且分别对电流调节器和转速调节器进行了分析,而且对电流环和转速环模型的建立和参数的设计,运用MATLAB计算机软件对其进行了仿真研究,并得出实验结果。关键词:双闭环直流调速系统 电流环 转速环 计算机仿真一、研究要求1、掌握双闭环直流调速系统的原理及组成2、掌握双闭环直流调速系统的仿真研究方法二、双闭环直流调速系统原理2.1、双闭环直流调速系统的介绍 许多生产机械,由于加工和运行的要求,使电动机经常处于起动、制 动、反转的过渡过程中,因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。

    2、。为缩短这一部分时间,仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统,其性能还不很令人满意。 双闭环直流调速系统较单闭环相比具有动态响应快、抗干扰能力强等优点,具有良好的抗扰性能,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。具有单闭环不能比拟的优势2.2、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,二者之间实行串级连接,如1图所示,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。

    3、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。 图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图2.3系统的静态和动态性能指标2.3.1 系统的静态性能指标首先,画出其稳态系统结构框图,如图2所示图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图由于当调节器饱和时,输出达到限幅值,输入量的变化不再影响输出量,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。

    4、。即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系,相当于该调节环开环,当调节器不饱和时,PI调节器工作在线性调节状态。为了实现电流的实时控制和快速跟随,希望电流调节器不进入饱和状态,因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况2.3.1.1转速调节器不饱和这时,两个调节器都不饱和,稳态时,他们的输入偏差电压都是零。Un*=Un=n=n0n=n0,Ui*=Ui=Id由于ASR不饱和,Ui*wc 满足近似条件(2) 校验忽略反电动势对电流环影响的条件:满足近似条件(3)小时间常数近似处理条件满足近似条件3.2.5计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图5所示图5 电流调节器原理图按所有运。

    5、算放大器取,各电阻和电容值计算如下取取取按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为:,满足设计要求。3.3 转速环的设计在设计转速环时,可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。3.3.1确定时间常数(1) 电流环等效时间常数为。(2) 转速滤波时间常数根据所用调速发电机纹波情况,取(3) 转速环小时间常数按小时间常数近似处理,取3.3.2、选择转速调节器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,应按典型型系统设计转速环。故选用调节器,其传递函数为3.3.3、选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则,取,则的超前时间常数为转速环开环增益于是,的比例系数为。

    6、3.3.4、效验近似条件转速环截止频率为(1) 电流环传递函数简化条件: =s=63.7 swcn 满足简化条件。(2) 小时间常数近似处理条件: = s=38.7 s wcn 满足近似条件。3.3.5、计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如下图6:图6 转速调节器原理图取,则, 取,取, 取3.3.6、校核转速超调量当h=5时,n=37.6%,不能满足设计要求。实际上,以上我们是按照线性系统计算而得,当加阶跃时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,则需按ASR退饱和情况重新计算。当按ASR退饱和情况重新计算时:n=281.2%1.58.31%10%能满足设计要求。四、Simulink仿真实验4。

    7、.1电流环的仿真电流环的仿真模型如图7图7电流环的仿真模型(1) 当参数关系是KT=0.5时,电流环的仿真结果如图8所示:图8电流环的仿真结果分析:从图中可以曲线看出,其阶跃响应的仿真曲线有很小的超调量,接着曲线呈略微的下降趋势,最终趋于稳定,且稳定值略低于200A。(2)当参数关系是KT=0.25时,按I型系统的设计方法得到PI调节器的传递函数为0.5067+ ,电流环的阶跃的仿真结果如图9所示。图9无超调的仿真结果分析:从图中可以曲线看出,其阶跃响应的仿真曲线无超调,但上升时间较上幅图的结果有变长,其稳定值也略低于200A。(3) 当参数关系是KT=1.0时,得到PI调节器的传递函数为2.。

    8、027+ ,电流环的阶跃的仿真结果如图10所示。图10转速环的抗扰波形图分析:从图中可以曲线看出,其阶跃响应的仿真曲线超调量很大,较上述的结果而言上升时间变短,且其稳定值也略低于200A。三种情况分析小结:观察三条仿真曲线,在直流电动机的恒流升速阶段,电流值低于N,其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动,其是一个线性渐增的扰动量,所以系统做不到无静差,而是Id略低于Idm。4.2、转速环的系统仿真PI参数采用上述转速环的设计结果,其传递函数为 11.7+ 。转速环的仿真模型如图11所示图11 转速环的仿真模型(1) 将阶跃值设置为10,得到启动时的转速与电流响应曲线如图12所示,ASR调。

    9、节器经过了不饱和,饱和,退饱和三个阶段,最终稳定运行于给定转速。图12转速环空载高速起动波形图分析:从图中得到启动时的转速与电流响应曲线,转速的响应看出启动转速上诉,最终达稳定与给定转速,而电流的响应曲线呈上升,不变,下降三种趋势,即对应着,ASR调节器经过了不饱和,饱和,退饱和三个阶段。(2)将负载电流设置为136,满载启动,响应曲线如图13所示,启动时间延长,退饱和超调量减少。图13转速环满载高速起动波形图分析:从图中可以看出当满载启动时,转速曲线的上升阶段时间较上幅图而言时间延长,即,启动时间延长。而电流响应曲线在退饱和时超调量有所减少。(3)转速环抗扰过程仿真结果响应曲线,如图14所示。

    10、图14转速环的抗扰波形图分析:图中曲线是在空载运行过程中受到了额定电流扰动时转速和电流仿真结果响应曲线,可以看到其受到扰动后,又迅速趋于稳定,即可以看出其抗扰性能强。,五、研究内容总结及体会在运动控制课程中,我们已经学习了双闭环直流调速系统,了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性;,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,实现转速和电流两种负反馈分别起作用,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,形成转速、电流双闭环调速系统。而且相对于单闭。

    11、环来说双闭环直流调速系统具有动态响应快、抗干扰能力强等优点,具有良好的抗扰性能,并且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。另外,基本掌握了ASR、ACR(速度、电流调节器)为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取,包括其参数的计算。 另一方面,在控制系统仿真课实验上,我们学习了有关MATLAB软件仿真的知识和方法,通过本次实验,我们掌握了双闭环直流调速系统的仿真研究方法,这不仅加深了我们对专业课上所学内容的理解,而且,也使得我们可以更加熟练的运用计算机仿真这个工具,这对于我们日后的工作和学习都会有很大的帮助,我觉得收获很大。五、参考文献控制系统仿真 郑恩让 聂诗良 中国林业出版社运动控制系统 阮 毅 陈伯时 机械工业出版社。

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空空如也

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单闭环直流调速系统