双闭环控制的直流调速系统.docx
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双闭环控制的直流调速系统
双闭环控制的直流调速系统
任务书„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
设计步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
注意事项„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
实验仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
系统的建模和模型参数设置„„„„„„„„„„„„„„„„4
系统的仿真参数设置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析„„„„„„„„„„11
分析仿真结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
注意事项„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
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任务书
设计步骤:
1画出系统的仿真模型。
2主电路的建模与模型的参数设置。
3控制电路的建模与模型的参数设置。
4系统的仿真参数设置。
5系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析。
6打印说明书，并交软盘一张。
注意事项:
1系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分进行。
2在进行参数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置的参数设计原则如下:
如果针对某个具体装置进行参数设置，则对话框的有关参数应取装置的实际值;如果不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真。
如果仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。
3给定信号的变化范围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系数等可调参数的设置，其一般的方法是通过仿真实验，不断进行参数优化。
4仿真时间根据实际的需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。
仿真算法的选择:
通过仿真实践，从仿真能否进行、仿真的速度、仿5
真的精度等方面进行比较选择。
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一概述
双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
此课程设计着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
在许多生产机械的工作中，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于启动、制动、反转的过渡过程中因此启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。
为缩短这一部分的时间，仅采用比例积分调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不能另人满意。
双闭环直流调速系统是电流和转速两个调节器进行综合调节的，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用比例积分调节器）。
由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网扰动对转速的影响。
二原理
实验系统的原理框图如图1所示:
图1
图中标出了两个调节器“速度调节器”和“电流调节器”输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值;电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转
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速（即Ug=Ufn），并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。
在系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可改变电动机的转速。
“电流调节器”、“速度调节器”均设为限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的输入，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。
“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct。
利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制αmax的目的。
三实验仿真
多环直流调速与开环、单环直流调速系统的住电路模型是一样的，主电路仍然是交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。
差别反映在控制电路上，多环系统的控制电路更复杂。
双闭环直流调速系统的原理框图如图1所示。
图2是采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型。
图2
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1（系统的建模和模型参数设置
（1）主电路的建模和参数设置
由图2可见，双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、转速和电流环等部分组成。
平波电抗器的电感指修改为9e-3H。
1）三相对称交流电压源的建模和参数设置。
首先从电源模块组中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另外两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为“A相”、“B相”、“C相”，然后从连接器模块组中选取“Ground”元件和“BusBar”元件，按图1主电路图进行连接。
为了得到三相对称交流电压源，其参数设置及参数设置如下。
双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在A相交流电源参数设置中，幅值取220V，初相位设置成0度，频率为50HZ，其他为默认值，如图3所示。
B、C相交流电源参数设置方法与A相基本相同，除了将初相位设置成互差120度外，其他参数与A相相同。
由此可得三相对称交流电源。
图3
2）晶闸管整流桥的建模和参数设置。
首先从电力电子模块组中选取“UniversalBridge”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥”，然后双击模块图标，打开SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图4所示。
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图4
当采用三相整流桥时，桥臂数取3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子原件选择晶闸管。
参数设置的原则如下:
如果是针对某个具体的变
Vf应取装置中晶闸管元流装置进行参数设置，对话框中的Rs、Cs、Ron、Lon、
件的实际值，如果是一般情况，不针对某个具体的变流装置，这些参数可先取默认值进行仿真。
若仿真结果理想，就可以认可这些设置的参数，若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。
这一参数设置原则对其他环节的参数也是适用的。
3）平波电抗器的建模和参数设置。
首先从元件模块组中取“SeriesRLCBranch”模块，并将模块标签改为“平波电抗器”，然后打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图5所示，平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较之后得到的优化参数。
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图5
4）直流电动机的建模和参数设置。
首先从电动机系统模块组中取“DCMachine”模块，并将模块标签改为“直流电动机”。
直流电动机的励磁绕组“F+-F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为220V，电枢绕组“A+-A-”经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出，电动机经TL端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te，通过“示波器”模块观察仿真输出图形。
电动机的参数设置步骤如下，双击电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，直流电动机的参数设置如图6所示。
参数设置原则与晶闸管整流桥相同。
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图6
5）同步脉冲触发器的建模和参数设置。
同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分，6脉冲触发器可从附加控制（ExtraControlBlocks）子模块组获得。
6脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电压的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。
同步电源与6脉冲触发器及封装后的子系统如图7（a）（b）所示。
图7（a）电源和6脉冲触发器（b）封装后的子系统符号
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6）二极管桥模块参数设置。
二极管桥模块参数设置与晶闸管整流桥模块参数设置方法、参数设置原则都是一致的，只要将图8对话框中的“Numberofbridge
arms”设为“,”，将“PowerElectronicdevice”选择“Diodes”即可。
其他参数设置如图,所示
图,
至此，根据图1主电路的连接关系，可建立起主电路的仿真模型，如图2所示，图中触发器开关信号为“0”时，开放触发器，开关信号为“1”时，封锁触发器。
（2）控制电路的建模和参数设置
转速、电流双闭环系统的控制电路包括:
给定环节、速度调节器ASR、电流调节器ACR、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节等。
参数设置为:
1）给定信号和偏置模块:
从输入源模块组中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号”，然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为,,、,、,,,和,,,,即可。
2）通过对Uct参数变化范围仿真实验的探索而知，当Uct在50度~180度范围内变化时，同步脉冲触发器能够正常工作，当Uct为50度时，对应的整流桥输出电压最大，而180度对应的输出电压反而最小，它们是单调下降的函数关系。
因此，将限幅器的上、下限幅值设置为[130,0],用加法器加上偏置“-180”后调整为[-50，-180]，再经反相器转换为[50，180]。
3）限幅器、偏置、反相器等模块的建模与参数设置，只要分别在SIMULINK的“Math”、”Nonlinear”、”Sources”模块库中找到相应的模块，并按要求设置好参数即可。
限幅器参数设置如图9所示。
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图9
给定环节的参数设置为120rad/s，电流反馈系数设为0.1，转速反馈系数设为1。
双闭环系数有两个比例积分调节器，分别为ACR和ASR。
这两个调节器的参数设置分别如下，ACR:
Kpi=2，τi=100，上下限幅值为[120，-120]，ASR:
Kpi=1.2，τn=10，上下限幅为[40，-40]。
其它未说明的为系统默认参数。
将主电路和控制电路的仿真模型按照双闭环晶闸管不可逆直流调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图2所示的系统仿真模型。
2系统的仿真参数设置
在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，进行“SimulationParameters”
设置，如图10所示。
图10
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单击“SimulationParameters”菜单都，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图11所示，通过对仿真算法的比较实践，本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真“starttime”设为0，“stoptime”设为2.5。
图11
3系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析
当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。
图12是转速、电流双闭环调速系统的电流曲线和转速曲线。
从仿真结果可以看出，它非常接近与理论分析的结果的波形。
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图12
4分析仿真结果。
启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。
第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速转速线性增长。
第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分的作用，其输出还很大，所以出现超调。
转速超调以后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定，实际仿真结果基本上反映这一点。
5注意事项
（1）双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两个探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。
为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。
当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。
（2）电动机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电动机启动。
在启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定电压，否则会引起过大的启动电流，引起过流保护动作:
告警、跳闸。
（3）在通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定电路能正常工作后，
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再换成电动机作为负载。
（4）在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。
（5）支流电动机的电枢电流不要超过额定使用值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值，以免影响电动机的使用寿命，或发生意外。
（6）在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字存储器或记忆示波器记录动态波形。
四总结
本课程设计是《电力拖动自动控制系统》的实践性环节,帮助学生完成从专业理论到实践的认识过程.是培养综合运用《电力拖动自动控制系统》的有关理论和技术知识解决实际问题,进一步提高系统分析,参数计算,绘图,元器件选型和参考资料等能力的重要环节.
通过课程设计,使我们进一步掌握运动控制系统设计的基本原理和基本的工程设计方法,全面了解运动控制系统的主要内容和设计步骤,正确地选择运动控制系统中的设备型号和控制,保护装置.对交,直流调速系统的理论基本和实际设计方法有一个全面的认识。
学会了构建双闭环控制系统的数学模型,掌握用matlab语言来的仿真分析控制系统的开,闭环结构的动,静态响应。
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