基于调速系统调节器设计及恒负载扰动下电流环突然断线matlab仿真毕业论文.docx

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基于调速系统调节器设计及恒负载扰动下电流环突然断线matlab仿真毕业论文

目录

摘要……………………………………………………………………………………………2

1设计任务与分析…………………………………………………………………………3

1.1设计任务……………………………………………………………………………3

1.2任务分析……………………………………………………………………………3

2设计原理…………………………………………………………………………………4

2.1双闭环系统简介……………………………………………………………………4

2.1.1双闭环系统的组成…………………………………………………………4

2.1.2双闭环系统原理图…………………………………………………………4

2.1.3双闭环系统稳态结构图……………………………………………………5

2.1.4双闭环系统动态结构图……………………………………………………5

2.1.5转速调节环作用……………………………………………………………5

2.1.6电流调节环作用……………………………………………………………6

2.2调节器的工程设计方法…………………………………………………………6

3.系统调节器设计…………………………………………………………………………7

3.1转速、电流调节器设计……………………………………………………………7

3.2电流环设计…………………………………………………………………………8

3.2.1电流环结构设计……………………………………………………………8

3.2.2电流环参数设计……………………………………………………………10

3.3转速环设计…………………………………………………………………………12

3.3.1转速环结构设计……………………………………………………………12

3.3.2转速环参数设计……………………………………………………………14

4.Matlab仿真………………………………………………………………………………16

4.1启动电流启动转速仿真波形………………………………………………………17

4.2直流电压仿真波形………………………………………………………………18

4.3ASR输出电压的仿真波形…………………………………………………………19

4.4ACR输出电压的仿真波形…………………………………………………………19

总结…………………………………………………………………………………………20

参考文献……………………………………………………………………………………21

摘要

转速、电流反馈控制的双闭环直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统。

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。

这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。

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。

调速系统设计的任务主要是合理地选择调节器的结构和参数，以使系统的性能指标满足生产工艺的要求。

本课程设计根据设计任务书的要求来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该系统的原理图、稳态结构图和动态结构图；对调节器进行工程设计，确定调节器的参数等；最后采用MATLAB对双闭环系统进行仿真计算。

关键词：

双闭环系统电流调节器转速调节器MATLAB仿真

调速系统调节器设计及恒负载扰动下电流环突然断线matlab仿真

1设计任务与分析

1.1设计任务

不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。

系统基本数据如下：

直流电动机：

=220V，=136A，=1460r/min，=0.132V·min/r，允许过载倍数=1.5；时间常数：

=0.03s=0.18s；晶闸管放大倍数：

=40

电枢回路总电阻：

R=0.5；电流反馈系数=0.049V/A（10V/1.5）;转速反馈系数：

=0.00685Vmin/r（10V/）

设计要求

稳态指标：

在负载和电网电压的扰动下稳态无静差。

动态指标：

电流超调量5%，空载启动到额定转速时的转速超调量10%。

1.2任务分析

用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。

步骤是：

先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。

电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。

2设计原理

2.1双闭环系统简介

2.1.1双闭环系统的组成

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。

两者之间实行嵌套（或称串级）连接如图2-1所示。

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；转速环在外边，称作外环。

形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。

2.1.2双闭环系统原理图

图2-1转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

ASR——转速调节器ACR——电流调节器TG——测速发电机

TA——电流互感器UPE——电力电子变换器——转速给定电压

——转速反馈电压——电流给定电压——电流反馈电压

2.1.3双闭环系统稳态结构图

图2-2双闭环系统稳态结构图

——转速反馈系数——电流反馈系数

ACR——电流调节器ASR——转速调节器

2.1.4双闭环系统动态结构图

图2-3双闭环系统动态结构图

2.1.5转速调节环作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

2.1.6电流调节环作用

（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）对转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的

2.2调节器工程设计方法

现代的电力拖动自动控制系统，除电动机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。

经过合理的简化处理，整个系统可以近似为低阶系统，而用运算放大器或微机数字控制可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。

如果事先对这些典型系统做比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多，这就是工程设计方法。

调节器工程设计方法所遵循的原则是：

（1）概念清楚、易懂；

（2）计算公式简明、好记；

（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；

（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；

（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

如果要求更精确的动态性能，在典型系统设计的基础上，利用MATLAB或SIMULINK进行计算机辅助分析和设计，也可设计出实用有效的控制系统。

作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。

简化的基本思路是，把调节器的设计过程分作两步：

第一步，先选择调节器的结果，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。

第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

以上两步就把稳、准、快、抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳态性的稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其他动态性能指标。

控制系统的开环传递函数都可以表示成

（2-1）

分母中的sr项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。

为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（r=0），至少是Ⅰ型系统（r=1）；当给定是斜坡输入时，则要求是Ⅱ型系统（r=2）才能实现稳态无差。

选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。

由于Ⅲ型（r=3）和Ⅲ型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。

因此常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计的目标。

3系统调节器设计

3.1转速、电流调节器设计

转速、电流双闭环系统的动态结构图如图3-1所示：

图3-1双闭环系统动态结构图

由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。

这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。

然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。

系统设计的一般原则是：

先内环后外环。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

3.2电流调节器设计

3.2.1电流调节器结构设计

图3-1所示虚线框内是电流环的动态结构图。

其中，反电动式与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。

实际上，反电动式与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。

在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多。

对电流环来说，反电动势是一个变化缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。

这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。

也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图3-2（a）所示。

可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：

（3-1）

式中——电流环开环频率特性的截止频率。

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图3-2（b）所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。

由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为

（3-2）

则电流环结构框图最终简化成图3-2（c）所示。

简化的近似条件为

（3-3）

图3-2电流环的动态结构图及其化简

（a）忽略反电动势的动态影响（b）等效成单位负反馈系统（c）小惯性环节近似处理

3.2.2电流调节器参数设计

（1）确定时间常数：

①整流装置滞后时间常数，查表得三相桥式全控整流电路的平均失控时间=0.0017s。

②电流滤波时间常数，三相桥式全控整流电路每个波头时间为3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。

③电流环小时间常数之和：

按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。

（2）选择电流调节器结构：

根据设计要求，并保证电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型