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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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  • MATLAB科技信息高校理科研究基于Matlab双闭环直流调速系统设计与仿真大连海洋大学信息工程学院马占军[摘要]V-M双闭环直流调速系统是目前应用比较成熟的一种调速系统,通过本次设计,给出一种具体的设计步骤和方法...

    MATLAB

    科技信息

    高校理科研究

    基于Matlab双闭环直流调速系统设计与仿真

    大连海洋大学信息工程学院

    马占军

    [摘要]V-M双闭环直流调速系统是目前应用比较成熟的一种调速系统,通过本次设计,给出一种具体的设计步骤和方法,使之能够通过本方法对其他的调速系统的设计和计算起到指导性的作用;同时,通过本次设计和仿真方法,达到举一反三的效果。[关键词]V-M系统调速

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    仿真前言

    双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统,该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点,在理论和实践方面都是比

    由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础,较成熟的系统。

    馈电压含有电机的换向纹波,因此也需要滤波,其时间常数用Ton表示。

    根据电流环一样的道理,在转速给定通道上也加入了时间常数为Ton的

    [2]

    给定滤波环节。

    2、系统参数设计本文设计了一种具有具体参数计算的调速速统,并采用Matlab/Simulink进行仿真,仿真结果表明各种参数设计合理,达到了控制要求。

    1、系统组成及工作原理

    为了实现转速和电流两者负反馈分别起作用,双闭环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,两者实行串级连接,且都带有输出限幅电路,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。从闭环结构上看,

    电流环在里面称作内环;转速环在外面称作外环。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,以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快的

    “最优”

    控制。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,这样构成了双闭环调速系统的原理图,如图1所示[1]:

    图1双闭环直流调速系统电路原理图

    工作原理如下:电动机的转速由给定电压U*

    n决定,速度调节器ASR的输入偏差电压为ΔU=U*

    *

    n-Un,ASR的输出电压Ui作为电流调节器ACR的给定信号(其输出的限幅值U*

    im决定了电流调节器给定电压的最大值),电流调节器ACR的输入偏差电压为ΔU=U*

    i-Ui,ACR的输出电压UC作为触发电路的控制电压(其输出的限幅值UCM决定了晶闸管整流输出电压的最大值)。改变控制电压UC,就能改变触发器控制角α及整流输出电压Ud0,相应地也就改变了电动机的转速,达到调速的目的。

    通过原理图我们很容易画出其稳态结构框图,如图2所示。

    图2双闭环直流调速系统的稳态结构图

    α-转速反馈系数;β-电流反馈系数

    图2中在设有转速调节器ASR,

    电流调节器ACR,电力电子变换器UPE等的基础上增加了电流滤波,转速滤波和两个给定滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流成分,需加低通滤波,其滤波时间常数Toi按需要给定。滤波信号可以抑制反馈信号中的交流分量,但同时也给反馈信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节,使给定信号与反馈信号同步,并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反

    2.1主要技术指标

    假设负载电机不可逆运行,调速范围D≥10,

    静差率s≤2%;转速超调量δi≤5%,电流超调量δi≤5%,动态速降Δn≤8%,调节时间ts≤2s,电流调节器外电阻R=0.12,放大倍数K*

    *

    s=45,

    Un=Uim=10V,n*=1800r/min。电机参数:PN=90KW,UN=220V,IN=136,nN=1480r/min,Ce=0.132,允许过载能力为λ=1.5,R∑=0.5Ω,T1=0.03s,Tm=0.18s电流反馈系数β=0.05转速反馈系数α=0.0.7。

    2.2电流环的设计(1

    )确定时间常数。①整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s;

    ②电流滤波时间常数Toi,取Toi=0.002s;

    ③电流环小时间常数T∑i,按小时间常数近似处理,取T∑i=Toi+Ts=0.0037s

    (2)根据设计要求:δi≤5%,而且T1=8.11,因此,电流环可按典型

    ∑i

    Ⅰ型系统设计。

    (3)电流调节器选用PI型,其传递函数为WACR(s)=Ki×τis+1

    τis

    取τi=T1=0.03s,取KIT∑i=0.5,则KI=135.1*

    β=U

    n=10=0.049NKi=KIτiR=135.1×0.03×0.12=0.22

    s(4)计算电流调节器的电路参数。取R0=40KΩ,各电阻和电容值计算如下:Ri=Ki×R0=0.22×40=8.8KΩ,取9KΩCi=τi/Ri=0.03/(9×1000)F=3.33μFCio=4Toi/R0=4×0.002/(40×1000)F=0.2μF2.3转速环的设计(1)确定时间常数。

    ①电流环等效时间常数为2T∑i=0.0074s;②转速滤波时间常数Ton,取Ton=0.01s;

    ③转速环小时间常数T∑n=2T∑i+Ton=0.0174s。(2)转速调节器的结构选择。应按典型Ⅱ型系统设计转速环,转速

    调节器选择PI型,

    其传递函数为:WASR(S)=Knτns+1

    n取h=5,则ASR超前时间常数为:τn=hT∑n=5×0.0174=0.087s

    KN=h+15+12×h×T

    ==396.4∑n

    于是,ASR的比例系数Kn计算:

    Kn=(h+1)βCeTm=11.7

    ∑n

    (3)计算转速调节器的电路参数,按所运算放大器,取R0=40KΩ,各电阻和电容值计算如下:

    Rn=KnR0=365.2KΩCn=τn=0.0023μF

    n

    (下转第542页)

    —541—

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