单闭环双闭环仿真.docx
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单闭环双闭环仿真
单闭环--双闭环-仿真
运动控制系统仿真
专业：
电气工程及其自动化
班级：
041141
学号：
04114067
姓名：
何爽
1.转速反馈控制直流调速系统
各环节参数如下：
直流电动机：
额定电压UN=220V，额定电流IdN=55A，额定转速nN=1000r/min，电动机电动势系数Ce=0.192Vmin/r
假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44，滞后时间常数Ts=0.00167s
电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s
转速反馈系数α=0.01Vmin/r
对应额定转速时的给点电压Un*=10V
1、单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真
PI控制器在于被控对象串联时，相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。
位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能，而增加得负实部零点则可减小系统的阻尼程度。
单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真模型：
改变PI调节器的参数，单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真结果如下：
Kp=0.25，1/τ=3时
转速电流
Kp=0.56，1/τ=11.43时
转速电流
Kp=0.8，1/τ=15时
转速电流
分析：
若调节器参数是：
Kp=0.25，1/τ=3，系统转速的响应无超调，但调节时间很长；若是：
Kp=0.8，1/τ=15，系统转速的响应的超调较大，但快速性较好。
和比例调节器相比，比例积分调节器能很好的消除静差。
以下改变Kp，而1/τ保持不变，仿真结果如下：
Kp=10，1/τ=15时
转速电流
Kp=10，1/τ=15时
转速电流
Kp=20，1/τ=15时
转速电流
Kp=30，1/τ=15时
转速电流
可见在积分系数不变时，改变比例系数时，系统由稳定，到振荡再到不稳定
以下改变1/τ，而Kp保持不变，仿真结果如下：
Kp=0.25，1/τ=10时
转速电流
Kp=0.25，1/τ=20时
转速电流
Kp=0.25，1/τ=40时
转速电流
Kp=0.25，1/τ=100时
转速电流
可见在保持比例系数不变，改变积分系数时系统逐渐由稳定状态过度到振荡状态
在控制系统中设置调节器是为了改善系统的系统的静动态性能。
在采用了PI调节器以后，构成的是无静差调速系统。
利用上图的仿真模型，改变比例系数和积分系数，可以得到振荡，有静差，无静差，超调大或启动快等不同的转速曲线。
改变PI调节器的参数，可以得到转速响应的超调量不一样，调节时间也不一样的响应曲线。
由以上仿真图形可见随着比例系数Kp和积分系数1/τ的增大，系统的超调量在增大，稳定性变差，调节时间变短，快速性增强。
即系统的稳定性和快速性是一对矛盾，必须根据工程的要求，选择一个合适的PI参数。
2.单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真
把上述仿真模型中的积分部分去掉，P控制只改变系统的增益而不影响相位，它对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上，增大比例系数可提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但这会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定
单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型如下：
该系统模型的闭环传递函数为：
Wcl（s）=
K=
特征方程为
=0
即TsTiTmS3+Tm（Ts+Ti）S2+（Tm+Ts）S+K+1=0
由劳斯判据可知：
S3TsTiTmTm+Ts
S2Tm（Ts+Ti）K+1
S1Tm+Ts-
0
S0
若要系统稳定，则要求K<
改变比例系数，可得到单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真结果：
当Kp=0.25时
转速电流
当Kp=0.56时
转速电流
当Kp=0.8时
转速电流
当Kp=10时
转速电流
当Kp=30时
转速电流
分析：
图中是的仿真图形，可见随着比例系数增大，超调量随着增大，稳定性变差，比例系数过大时，系统变得不稳定。
由仿真结果表明，利用MATLAB的simulink对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统调试周期，提高了开发系统效率。
对于调速系统的设计，MATLAB的simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。
2.转速、电流反馈控制直流调速系统
双闭环调速系统的工作过程和原理:
在启动阶段，电动机的实际转速（电压）低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。
在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。
对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。
另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。
仿真题目：
某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路
各环节基本数据如下：
直流电动机：
220V、136A、1460r/min,
=0.132.min/r,允许过载电流倍数λ=1.5；
晶闸管装置的放大系数：
电枢回路总电阻：
R=0.5Ω；
时间常数：
电流反馈系数：
β=0.05V/A;
转速反馈系数α=0.007V.min/r;
设计要求：
设计电流调节器，要求电流超调量σ≤5%。
要求转速无静差，空载起动到额定转速超调量σ≤10%。
1，电流调节器的设计与仿真：
电流调节器有两个输入信号。
一个是转速调节器输出反映偏差大小的主控信号，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号，当突加速度给定一个很大的输入值，其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转距和最大加速度，使起、制动过程时间最短。
根据工程设计的方法将电流环校成典型Ⅰ系统，典型Ⅰ系统的跟随性较好，超调量较小。
电流环小时间常数之和
。
电流环开环增益
=135.1；
电流调节器超前时间常数
；
ACR的比例系数
根据上述的设计参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σ=4.3%<5%，符合设计要求
仿真模型为：
当KT=0.25，按按典型I型系统的设计方法得到PI调节器的传递函数为0.5067+
，得到电流环阶跃响应的仿真图形为：
无超调，但上升时间长。
当KT=0.5，按按典型I型系统的设计方法得到PI调节器的传递函数为1.013+
，得到电流环阶跃响应的仿真图形为：
有较小的超调，上升时间较长
当KT=1.0，按按典型I型系统的设计方法得到PI调节器的传递函数为2.027+
，得到电流环阶跃响应的仿真图形为：
超调大，但上升时间短。
由以上仿真图形可见，随着KT的增大，超调量增大，系统的稳定性变差，但上升时间变短，快速性变好。
总结：
当KT=0.5时，各项动态参数较合理。
2，转速环的仿真：
根据工程的方法设计转速环：
电流环等效时间常数
=2
=2*0.0037s=0.0074
令h=5，转速环小时间常数T=
转速环开环增益
，
ASR的比例系数Kn=11.7
仿真模型为：
取KT=0.5，h=5时情况下，
双击阶跃模块把阶跃值设置为10，得到启动时的转速与电流响应曲线，最终稳定运行于给定转速，空载起动时波形：
把负载电流设置为136，满载启动，得到转速与电流曲线，
满载运行时起动的波形：
由仿真计算结果表明，利用MATLAB的simulink对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，我们通过对系统进行计算机仿真，分析理论设计与实际系统的偏差，逐步改进系统的结构及参数，找出较佳性能系统的调节器参数，使得系统的调试得到简化，大大缩短了系统调试周期，提高了开发系统效率。
对于调速系统的设计，MATLAB的simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。
3.电压空间矢量（SVPWM）调制
空间矢量脉宽调制SVPWM（SpaceVectorPulseWidthModulation），实际上是对应于交流感应电机或永磁同步电机中的三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120°电角度、失真较小的正弦波电流波形。
SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期TPWM内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。
在某个时刻，电压空间矢量
旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量（
和
）和零矢量（
）在时间上的不同组合来得到。
SVPWM仿真模块图如图所示：
3/2变换
T=5s时仿真如图
SVPWM是把逆变器和电动机作为一个整体考虑的,按照产生电机的圆形旋转磁场来控制逆变器的输出电压。
SVPWM其实是一种改进的PWM控制方法,调制函数为正弦调制函数和三次谐波调制函数的叠加。
和其它PWM控制方法相比,SVPWM具有模型简单,物理概念清晰,易于数字化实现,电压利用率高等特点。
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