转速电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究.docx

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转速电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究

成绩

南京工程学院

课程设计说明书（论文）

转速、电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究

课程名称电机控制技术

院（系、部、中心）电力工程学院

设计地点工程实践中心9#229

指导教师李先允

南京工程学院

课程设计任务书

课程名称电机控制技术

院（系、部、中心）电力工程学院

年6月28日

指导教师李先允

1．课程设计应达到的目的

《电机控制技术》是电气工程及其自动化专业的专业课程，内容包括交、直流调速和位置控制。

本课程要求学生在掌握基本理论的基础上,逐步培养运用理论去分析解决现场实际问题的能力，而不是机械地仅仅掌握理论而已。

本课程设计正是为达到这一目的而设计的。

通过课程设计，检验学生是否掌握自动控制的基本理论和系统设计方法，训练学生设计控制系统和使用仿真软件的能力，培养学生分析试验结果的专业素养。

2．课程设计题目及要求

课程设计的题目：

转速、电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究

课程设计的要求：

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，参数设置如下：

直流电动机：

Pnom=150kW;nnom=1000r/min;Inom=700A;Ra=0.05Ω

主回路：

Rd=0.08;Ld=2mH;全控桥式整流m=6

负载及电动机转动惯量：

GD2=125kg·m2

要求：

稳态指标：

无静差；

动态指标：

电流超调量δi<=5％;空载起动到额定转速时的转速超调量δn％<=5％.

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕

课程设计任务：

1．问题的提出。

2．理论知识的准备过程。

3．系统相关模型的参数设置以及传递函数的表达式建立。

4．利用MATLAB软件建立转速，电流双闭环调速系统的数学模型。

5．仿真结果，并对结果进行分析。

课程设计工作量的要求：

1.编制仿真程序：

重点在于数学模型的过程建立

2.分析仿真结果：

能够根据实验仿真的结果进行分析。

3.编写设计报告：

根据实验的过程以及实验过程中的步骤完成实验报告，并给出总结。

4．主要参考文献

1、陈伯时。

电力拖动自动控制系统[第2版]。

北京：

机械工业出版社，2000

2、王忠礼段慧达高玉峰。

MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用。

北京：

清华大学出版社，2007

3、童福尧。

电力拖动自动控制系统习题例题集。

北京：

机械工业出版社，2008

4、周渊深。

交直流调速系统与MATLAB仿真。

北京：

中国电力出版社，2003

5、史国生。

交直流调速系统（第二版）。

北京：

化学工业出版社，2003

5．课程设计进度安排

起止日期

工作内容

2009年6月3日---

2009年6月21日

2009年6月15----

2009年6月24日

2009年6月25日

（1）审题、选题，布置任务，解释题目，查阅资料。

（2）系统原理、结构框图的设计

（3）系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序

（4）MATLAB仿真结果分析及结论

（5）完整的设计报告

（6）答辩

6．成绩考核办法

根据实验完成的质量以及答辩过程情况考核

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日

院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年月日

转速、电流双闭环直流电机控制系统及其MATLAB仿真研究

丁立辰南京工程学院智能建筑电气

NanjingInstituteofTechnology

ElectricalandIntelligentBuildingConstruction

摘要：

对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。

然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。

关键词：

直流电机调速系统仿真Matlab

Abstract:

Thepaperpresentsthederiveationofengineeringdesignmethodsinthespeedregulationsystemofspeedandcurrentdoubleclosedloopindetails.Then，ademoisdesignedandsimulatedbyMatlab/Simulinktostudytheinfluenceresultedfromthedetailsofthederivation，whichhasbeenignoredinthespeedregulationsystem.Thereasonofdifferencebetweentheengineering

designandtherealconditionsisgiventohelpworkingouttheoptimaldesigninpractice.

Keywords:

DCmotorSpeedregulationsystemSimulationMatlab

.问题的提出

采用比例积分的转速负反馈、电流截止负反馈环节的调速系统，在保证系统稳定运行的情况下实现无静差调速，又限制了启动时的最大电流。

这对一般要求不太高的调速系统，基本满足了要求。

但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加之电动机反电动势随转速的上升而增加，使电流到达最大值又迅速降下来，电磁转矩也随之减小，必然影响启动的快速性,参看文献[5]。

对于实际生产中的一些经常正反转的调速系统，要求尽量缩短起制动过程的时间。

因此可以充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使启动电流保持在最大值，以最大启动转矩启动，可以使转速迅速直线上升，减少启动时间，为此，经常采用转速，电流双闭环调速系统，启动时转速外环饱和，让电流负反馈内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，让电动机转速跟随转速给定电压变化，电流内环跟随转速环调节电动机电枢电流平衡负载电流,参看文献[1]。

.系统参数设置

1.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，参数设置如下：

直流电动机：

Pnom=150kW;nnom=1000r/min;Inom=700A;Ra=0.05Ω

主回路：

Rd=0.08;Ld=2mH;全控桥式整流m=6

负载及电动机转动惯量：

GD2=125kg·m2

2.设计要求：

稳态指标：

无静差；

动态指标：

电流超调量δi<=5％;空载起动到额定转速时的转速超调量δn％<=5％.

.系统数学模型的建立

．双闭环系统控制系统

2.相关装置的设计

（1）直流电机的数学模型

假定主电路电流连续，则动态电压方程为：

Udo=RId+L

+E………………………………..…...

（1）

如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为

…………….………...…………

（2）

额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为

E=Cen…………………………………….……..……..（3）

Te=CmId………………………………................……..（4）

Cm=（30/

）Ce……………...……………………...……（5）

式中TL—包括电机空载转矩在内的负载转矩（N·m）；

GD2—电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量（N·m2）；

Cm—电机额定励磁下的转矩系数（N·m/A），

定义下列时间常数：

Tl—电枢回路电磁时间常数（s），

Tm—电力拖动系统机电时间常数（s），。

在零初始条件下，对

（1）式，

（2）式进行拉氏变换，得

电压与电流间的传递函数

……………………（6）

电流与电动势间的传递函数

………………..……（7）

则结构框图为：

由此得到直流电机的传递函数为：

……….（8）

（2）晶闸管的传递函数

在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。

用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为

按拉氏变换的位移定理，按泰勒公式展开，近似处理得一阶惯性环节

…………………………………….（9）

（3）电流环的设计

：

确定相关参数

整流装置滞后的时间常数：

=1/2mf=1/（2*6*50）=0.0017s

电流滤波时间常数Toi：

三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s

电流环小时间常数

：

按小时间常数近似处理TΣi=Ts+Toi=0.0017=0.002=0.0037

电势常数：

Ce=（Unom-Inom*Ra）/nnom=（220-700*0.05）/1000=0.185V/（r·mim-1）

转矩常数：

CM=Ce/1.03=0.185/1.03=0.18kg·mA

电磁时间常数：

T

=Ld/Rd=2*10-3/0.08=0.025s

机电时间常数：

Tm=GD2Rd/（375CM·Ce）=125*0.08/（375*0.18*0.182）=0.8s

选取电流输出限幅值：

Ukm=10V，通过计算的晶闸管装置放大系数：

Ks=Udo/Ukm=1.05*Unom/Ukm=1.05*220/10=23

启动电流：

Idm=1.5Inom=1.5*700=1050A

选取转速调节器输出限幅值：

Uim=10V，可以得到

电流反馈系数：

β=Uim/Idm=10/1050=0.0095V/A

选取最大给定值：

Unm*=10V,可以得到

转速反馈系数：

α=Unm*/nnom=10/1000=0.01/（r·min-1）

：

选择电流调节器结构

根据设计要求：

δi<=5％,而且T

/

=0.025/0.0037=6.76〈10

因此可按典型

型系统设计。

电流调节选用PI型，其传递函数为

：

选择电流调节器参数

ACR超前时间常数：

=T

=0.025s

电流环开环增益：

要求ói<=5％时，应取KI=0.5/TΣi=0.5/0.0037=135.11/s

于是，ACR的比例系数为

=KI*（

*R）/（β*Ks）=135.1*0.025*0.08/（0.0095*23）=1.24

（4）转速环的设计

：

确定时间常数

电流环等效时间常数为2TΣi：

2TΣi=0.0074s

转速滤波时间常数Ton:

根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s

转速环小时间常数TΣn：

按小时间常数近似处理，取TΣn=2TΣi+Ton

TΣn=2TΣi+Ton=0.0074+0.01=0.0174s

：

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ASR选用PI调节器，其传递函数为

：

选择转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为ζn=h·TΣn=5*0.0174s=0.087s

转速环开环增益Kn=（h+1）/（2h2TΣn2）=6/（50*0.01742）=396.4s-2

于是，ASR的比例系数Kn=（h+1）βCeTm/（2hαRTΣn）=（6*0.0095*0.185*0.8）/（10*0.01*0.08*0.0174）=60.6

.双闭环直流调速系统的仿真模型

1.根据所给的要求能够得到此双闭环调速系统的动态结构图如下。

图a转速、电流直流调速系统动态模型

2.电流环的仿真模型

由于电磁时间常数Tl一般都远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，即比反电动势的变化快得多。

反电动势对电流环来说只是一个缓慢变化的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变，及可以暂不考虑反电动势的变化。

由此得到其结构模型为图b,

图b电流单环控制模型图c转速单环控制模型

3.转速环的仿真模型

不考虑负载扰动，即Idl=0A,得结构模型为图c

4.基于数学模型的双闭环直流调速系统仿真

图d转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型

5.通过工程设计的方法建立的转速电流双闭环控制系统并确定了控制器的结构及其参数，也就是说得到了双闭环的数学模型，因此可以实现基于数学模型的双闭环直流调速控制系统仿真。

参照开环系统数学模型的仿真方法很容易建立双闭环系统的Simulink的实现，系统模型如上所示。

仿真参数选择，ode23；开始时间Starttime设为0，停止时间Stoptime设为10s.参考文献[2]

五.仿真结果

1.根据转速调节器控制模型和电流调节器控制模型，建立传递函数，并进行仿真得到结果如下：

图e图f

由图e可知电流调节器调节时间为t=0.1783s,且能达到稳定值，由此可以说明电流调节器仿真结果正确。

由图f可知转速调节器调节时间为t=3.593s,且能够达到稳定，由此可以说明转速调节器仿真结果正确。

2.根据设计要求，按照工程设计方法设计的转速，电流双闭环直流调速系统仿真结果如图所示：

（1）：

额定负载情况下，系统的仿真结果；图g

（2）：

空载情况下，在负载扰动和电流扰动分别作用下该系统的仿真结果（电流扰动为瞬间扰动，电网扰动为阶跃扰动）；图h

（3）：

在多种情况下，系统仿真结果；图i

图g图h

图i

六.双闭环调速系统的仿真分析:

1.由图形g显示结果可知

δi=（1670-1600）/1600=4.4﹪<5％

δn％=（1032-1000）/1000=3.2％<5％

符合设计要求，因此，此次课程设计结果正确。

2.利用转速调节器的饱和特性，使系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。

3.由于构成了无静差系统，在负载变化和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。

4.转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化和电网电压波动等扰动影响，特别是电网电压扰动点在电流环内，多数情况可以在电流环内就克服，而不会造成电机转速的波动。

5.图形g为转速、电流双闭环直流调速系统满载时的仿真结果，由图可以看出，调节时间为3.4s,转速超调量为3.2％，电流超调量为4.4﹪。

图形h为转速、电流双闭环直流调速系统空载时的仿真结果，有图可以看出，调节时间为2.7s，在3.5s时通过增加电流扰动，可以看出系统通过转速环的自动调节从而使转速回到额定转速，在4s时通过增加电网电压扰动，可以看出系统通过电流环的自动调节作用从而使得转速没有发生变化。

图形i的两张图形都是系统在受到不同干扰信号以及给定信号条件下，系统的变化过程，可以看出，但系统在收到扰动作用时，系统能够依靠自身电流环节负反馈和电压环节负反馈的自动调节作用使得系统能够维持恒定不变值，系统在一系列变化后回到原来状态，但是，当给定发生变化时，系统经过短暂的变化过程后，将会改变原来的稳定运行状态而到达新的稳定状态过程，因此，转速、电流双闭环直流调速系统具有服从给定，抑制扰动的作用。

七.小结

转速电流双闭环调速系统利用转速调节器ASR的饱和非线性，使系统变成一个恒流调节系统，在容许的最大电流约束条件下，实现了所谓的“最短时间控制”或“时间最优控制”的基本思想，当转速超调，ASR退饱和，系统变成转速无静差调节系统。

利用PI调节器的饱和及不饱和的两种状态，使电流和转速调节器分别在起动和稳速等不同的阶段起作用，获得了良好的静、动态性能。

但是由于晶闸管的单向导电性，因此不可能在制动时产生负的回馈制动转矩，所以在电流下降到零时只能自由停车。

八．参考文献

1、陈伯时。

电力拖动自动控制系统[第2版]。

北京：

机械工业出版社，2000

2、王忠礼段慧达高玉峰。

MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用。

北京：

清华大学出版社，2007

3、童福尧。

电力拖动自动控制系统习题例题集。

北京：

机械工业出版社，2008

4、周渊深。

交直流调速系统与MATLAB仿真。

北京：

中国电力出版社，2003

5、史国生。

交直流调速系统（第二版）。

北京：

化学工业出版社，2003

6、王果，朱大鹏。

直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真[J]。

电机技术，2005，第3期，23—25。