轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師： 工作單位： 題目：轉(zhuǎn)速、電流反應(yīng)限制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真初始條件：某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),整流裝置采用三相橋式電 路,根本數(shù)據(jù)如下：直流電機(jī)參數(shù)為：額定電壓u =22W,額定電流I =136A ；額定轉(zhuǎn)速 n =1460rpm , Ce = 0.132V min/ r ,允許過載倍數(shù) 九= 1.5 ； 晶閘管裝置放大系數(shù) 仁=40；電樞回路總電阻R =0.50 ；時間常數(shù) Tl =0.03s,Tm= 0.1&；電流反應(yīng)系數(shù)P = 0.05V/A ;轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù) 二三0.007V min/ r要求完成的主要任務(wù)：(1)用MATLA建立電

2、流環(huán)仿真模型；(2)分析電流環(huán)無超調(diào)、臨界超調(diào)、超調(diào)較大仿真曲線；(3)用MATLA建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型；(4)分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線；(5)電流超調(diào)量6三%,轉(zhuǎn)速超調(diào)量<m<10% o轉(zhuǎn)速、電流反應(yīng)限制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜、動態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣泛的直 流調(diào)速系統(tǒng),對于需要快速正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng),縮短起動、制動過程的時 間成為提升生產(chǎn)效率的關(guān)鍵.為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用, 可在系 統(tǒng)里設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器,組成審級限制.本文介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的根本原理, 而且用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真.轉(zhuǎn)速、電流反應(yīng)限制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真1設(shè)計的初始條件及任

3、務(wù)1.1 概述本次仿真設(shè)計需要用到的是 Simulink仿真方法,Simulink是Matlab最 重要的組件之一,它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境.在該環(huán)境中,無需大量書寫程序,而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作,就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng).Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清楚及仿真精細(xì)、 貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點,并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于限制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計.1.2 初始條件某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),整流裝置采用三相橋式電路,根本數(shù)據(jù)如下：直流電機(jī)參數(shù)為：額定電壓U =220V,額定電流I =136A;額定轉(zhuǎn)速n =1460r

4、pm , Ce= 0.132V min/ r ,允許過載倍數(shù) 九=1.5 ;晶閘管裝置放大系數(shù) Ks=40;電樞回路總電阻R =0.50 ;時間常數(shù)Tl =0.03s,Tm = 0.18s ;電流反應(yīng) 系數(shù)0 =0.05V /A ;轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)a = 0.007V min/ r.1.3 要完成的任務(wù)1用MATLAB建立電流環(huán)仿真模型；2分析電流環(huán)無超調(diào)、臨界超調(diào)、超調(diào)較大仿真曲線；3用MATLAB建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型；4分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線;5電流超調(diào)量6 <5% ,轉(zhuǎn)速超調(diào)量 5 W10% .2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)

5、轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛,經(jīng)濟(jì),適用 的電力傳動系統(tǒng).它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾水平強(qiáng)的優(yōu)點.我們知道反應(yīng)閉環(huán) 限制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能,它對于被反應(yīng)環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都 能有效的加以抑制.采用轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系例如要求 要是由于統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差.但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高, 起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等,單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求.這m 在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全根據(jù)需要來限制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩.在單閉環(huán)系統(tǒng)中,只有電流截止負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)是專門用來限制電流的.但它只 是在超過臨界電流1故值以后,靠強(qiáng)烈的負(fù)反應(yīng)作用限制電流

6、的沖擊,并不能很 理想的限制電流的動態(tài)波形.帶電流截止負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流 和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示.當(dāng)電流從最大值降低下來以后,電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小, 因而加速過程必然拖長.在實際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流轉(zhuǎn)矩受限的條件下,充分利用 電機(jī)的允許過載水平,最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大值, 使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動,到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行.這樣的理想起動過程波形 如圖2-1b所示,這時,啟動電流成方波形,而轉(zhuǎn)速是線性增長的.這是在最大電 流轉(zhuǎn)矩受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程.(a)

7、(b)b理想快速起動過程a帶電流截止負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程圖2-1調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形實際上,由于主電路電感的作用,電流不能突跳,為了實現(xiàn)在允許條件下最 快啟動,關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 I dm的恒流過程,根據(jù)反應(yīng)限制 規(guī)律,采用某個物理量的負(fù)反應(yīng)就可以保持該量根本不變 川,那么采用電流負(fù)反 饋就能得到近似的恒流過程.問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反應(yīng), 而不能 讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端, 到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,又希望只要 轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng),不再靠電流負(fù)反應(yīng)發(fā)揮主作用,因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng). 這 樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)作用又能使它們作

8、用在不同的階段.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行審級連接,如圖 2-2所示,即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去限制品閘管整流器的觸 發(fā)裝置.從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面,叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面,叫做 外環(huán).這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器.由于PI 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度1,使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無 靜差調(diào)速,又能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為限制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜 差兩

9、方面的要求.一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主,采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系 統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能.2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 * .一 .一, =(1)使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um變化,當(dāng)偏差電壓為零時,實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜(2)對負(fù)載變化起抗擾作用.(3)其輸出限幅值決定允許的最大電流.2)電流調(diào)節(jié)器的作用、 、 、.一 一 、 *(1)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中,使電流跟隨其給定電壓 Ui變化.(2)對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用.(3)起動時保證獲得允許的最大電流,使系統(tǒng)獲得最大加速度起動.(4)當(dāng)電機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時,限制電樞電流的最大值,從而起大快速的 平安保護(hù)作用.當(dāng)故

10、障消失時,系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常.3電流環(huán)的MATLA時算、建立及仿真3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計確定時間常數(shù),電流環(huán)小時間常數(shù)之和Tgj.按小時間近似處理Txi =TOi TS =0.0037s根據(jù)設(shè)計要求0i -5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差,可將電流環(huán)校成典型I系統(tǒng), 典型I系統(tǒng)的跟隨性較好,超調(diào)量較小.設(shè)傳遞函數(shù)的形式為：WiS計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時間參數(shù)：* =Tl = 0.03s電流開環(huán)增益：要求仃£5%時,應(yīng)該取KITw = 0.5,因此: 1KI = =135.1 I = 0.03S21Ki =1.013 T =0.03根據(jù)上述的設(shè)計參數(shù),電流環(huán)可到達(dá)的動態(tài)跟隨性能

11、指標(biāo)為,仃=4.3% < 5%符合設(shè)計要求.3.2 電流環(huán)仿真模型設(shè)計Fch5圖3-1電流環(huán)仿真模型3.3 電流環(huán)調(diào)節(jié)器分析圖3-2電流環(huán)臨界超調(diào)輸出波形2) KT=0.25時,按典型I系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為Wpi(s )=0.5067 +16,可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形： s圖3-3電流環(huán)無超調(diào)輸出波形3) KT=1.0時,按典型I系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為W"2.027 +呼,可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：圖3-4 電流環(huán)超調(diào)較大輸出波形總結(jié)：從以上各電流環(huán)的圖形得出 KT越大時上升時間越快,但同時超調(diào)量也比擬大,當(dāng)

12、KT=0.5時,各項動態(tài)參數(shù)較合理.4轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLA時算、建立及仿真4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計確定時間常數(shù)1電流環(huán)等效時間常數(shù) 一.取KiTv = 0.5,那么: Ki一1=2T< = 2 0.0037 : 0.0074s Ki-Ton = 0.01sTn =00.1 7 4設(shè)計PI調(diào)節(jié)器,起傳遞函數(shù)為:計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性都較好的原那么,取 h=5,那么ASR勺超前時間常數(shù)為:n =hT下=5 0.0174 = 0.087s進(jìn)而可求得,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:Knh 1工2 2= 396.4s2h2Tn可求得ASR的比例系數(shù)為:Kn(h_JECTm=11.72h： RT?4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型設(shè)計圖4-1轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型4.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真 134481) PI調(diào)節(jié)器根據(jù)計算出來的結(jié)果：WASR=11.7+U4竺.空載起動時波形s為：圖4-2轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動輸出波形2滿載運行時起動的波形:圖4-3轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動輸出波形5小結(jié)與體會這次課程設(shè)計中,我們學(xué)到了許多課堂上學(xué)不到的東西,尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方,我在此用了很多時間和精力.本次課程設(shè)計讓我對?電力拖動自動限制系統(tǒng) -運動限制系統(tǒng)?的核心內(nèi)容-轉(zhuǎn)速、電流反應(yīng)限制直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解,對典型 I系統(tǒng)設(shè)計加深 了熟悉.通過matlab的仿