轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真_(終極版)

1、本 科 課 程 設(shè) 計題目：轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真姓 名 王金良 學(xué) 院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2013 年 1月 11日2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真摘要轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(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(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起動、制動過程的時間成為提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)里設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，組成串級控制。本文介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，而且用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速、轉(zhuǎn)速、電流、Simulink一、 設(shè)計的題目及任務(wù)（一）概

2、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)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。 （二）仿真題目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，基本數(shù)據(jù)如下：直流電機(jī)參數(shù)為：額定電壓,額定電流；額定轉(zhuǎn)速,，允許過載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時間常數(shù)

3、；電流反饋系數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.00666Vmin/r。 （三）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)不同參數(shù)下的仿真曲線；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。二、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)反饋分別起作用，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，二者之間實行串級連接，如圖1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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(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)

4、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。因為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，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。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。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如：圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖三、MATLAB計算、建立及仿真一）、設(shè)計思路 設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。 1、從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)。 2、再按照控制

5、對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 3、電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。 二）、電流調(diào)節(jié)器（內(nèi)環(huán)）的設(shè)計matlab 的電流環(huán)的整體仿真模型如圖所示： （1） 電流環(huán)各個模塊的參數(shù)設(shè)置 已知題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路的參數(shù)如下：直流電動機(jī)：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5； 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks = 40； 電樞回路總電阻：R = 0.5 ； 時間常數(shù)： Ti = 0.03s， Tm = 0.18s； 電流反饋系數(shù)： = 0

6、.05 V/A ； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： = 0.07 V·min/r。1、確定時間常數(shù) 1）整流裝置滯后的時間 Ts。按表 1 晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）來設(shè)置，表1如下所示：表1由表可知三相橋式電路的平均失控時間為Ts=0.00167s。 2） 電流濾波時間常數(shù)Toi。由上表知道Tsmax=3.33，為了基本濾平波頭，應(yīng)有 (12)Toi=3.33ms,因此我們?nèi)oi=2ms=0.002s. 3） 電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti 。按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.00367s。2、 各模塊的設(shè)置（除ACR 模塊） 將各模塊的參數(shù)輸入圖1的電流環(huán)各模塊中即可得到圖

7、2所示的仿真模型； 3、 ACR 參數(shù)設(shè)置 ACR 的傳遞函數(shù)式為：即：=Ki+Kp/s1）電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)為：i=Tl=0.03s。 2）電流環(huán)開環(huán)增益Ki：Ki=KT/Ti =KT/0.00367其中參數(shù)關(guān)系KT按表2如下所示：表23)KT=0.5時PI傳函 W = Ki + Kp / s = 0.5/0.00367 + （0.5/0.00367）/0.03s = 1.0134 + 33.78 / s 同理：KT=0.25時PI傳函 W = Ki + Kp / s = 0.5067 + 16.89 / s KT=1時PI傳函 W = Ki + Kp / s =2.027 + 67.5

8、67 / s 4、 在Simulink模型窗口工具欄里的Simulation >Configuration Parameters菜單項可以更改Start time 和Stop time的值按需要分別設(shè)為0.0s 和 0.05s或0.1s。（2） 電流環(huán)的仿真圖形KT=0.5時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 =1.0134 + 33.78 / s，按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如右圖6所示： 其超調(diào)量 滿足4.3% 。 三）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（外環(huán)）的設(shè)計matlab 的轉(zhuǎn)速環(huán)的整體仿真模型如圖所示：（1） 轉(zhuǎn)速環(huán)各個模塊的參數(shù)設(shè)置 由電流環(huán)的仿真知電流環(huán)的參數(shù)取KT

9、=0.5時超調(diào)量滿足綜合條件，電流環(huán)模塊的值保持不變。1、 確定時間常數(shù)1）電流環(huán)的等效時間常數(shù) 1/Ki。由上面可知取 KiTi = 0.5，則 1/Ki = 2Ti = 0.0074s2） 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) Ton=0.01s ；3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn=1/Ki+Ton=0.0174s；2、除去電流環(huán)各模塊按圖10所示編號設(shè)置如下： （1） 將框的階躍輸入將Step time設(shè)為0， Initial value設(shè)為0， Final value設(shè)為10；（2）框?qū)?yīng)結(jié)構(gòu)圖中的ASR模塊，由例題3-2得到的結(jié)果，其傳遞函數(shù)設(shè)置為 即Gain3設(shè)置為11.7，Gain4設(shè)置為134.48 ；（

10、3）框的Saturation將其上界（upper）和下界（lower）分別設(shè)置為10和-10；（4）框的函數(shù)式為/(Tons+1) = 0.00666/(0.01s+1) ；（5） 框的函數(shù)式 1/Ce = 1/0.132 = 7.576 ；（6） 框的階躍信號按要求輸入：將Step time設(shè)為0，Initial value設(shè)為0；空載（負(fù)載電流為0）時，階躍信號Step1的Final value設(shè)為0；滿載（負(fù)載電流為136）時，階躍信號Step1的Final value設(shè)為136（電動機(jī)的額定電流為136 A）；做干擾測試時，將Step time設(shè)為1，Initial value設(shè)為0，

11、Final value設(shè)為100。(二)轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真1、空載起動時,階躍信號Step1的Final value輸入設(shè)為0,仿真波形如圖所示：2、滿載起動時，階躍信號Step1的Final value設(shè)為136,仿真波形如圖所示： 3、抗干擾性的測試，將階躍信號Step1的Step time 設(shè)置為1，將Initial value設(shè)置為0，將Final value設(shè)置為100（或其他1到136均可做干擾），其他設(shè)置不變，仿真如圖所示：四、小結(jié)與體會這次課程設(shè)計中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模塊的參數(shù)設(shè)置及抗干擾性的測試時的參數(shù)問題。本次課程設(shè)計讓我們對電力拖動自動控制系統(tǒng)-運(yùn)動控制系統(tǒng)的“轉(zhuǎn)速、電流