三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模及仿真

-.z.三閉環(huán)直流調(diào)速統(tǒng)的建模與仿真三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案三閉環(huán)直流調(diào)速主電路由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)改良而得。當(dāng)采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，在電流上升階段，電流急劇上升，變化率很大，會(huì)在直流電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生嚴(yán)重后果，如產(chǎn)生很高的附加電動(dòng)勢(shì)及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。為解決這一矛盾，在電流環(huán)設(shè)置一個(gè)電流變化率環(huán)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流、電流變化率的三環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)置輸出限幅，以限制最大啟動(dòng)電流。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要，當(dāng)給定電壓后，ASR輸出飽和，電機(jī)以最大的允許電流起動(dòng)，同時(shí)由于電流變化率ADR環(huán)的作用，使電流上升斜率有一定限制，當(dāng)?shù)竭_(dá)給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR退飽和，電機(jī)電樞電流緩慢下降。這樣，經(jīng)三個(gè)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)很快到達(dá)穩(wěn)定。在帶電流變化率環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的輸出仍是ACR的給定信號(hào)，并用其限幅值限制最大電流；ACR的輸出不是直接控制觸發(fā)電路，而是作為電流變化率調(diào)節(jié)器ADR的給定輸入，ADR的負(fù)反應(yīng)信號(hào)由電流檢測(cè)通過微分環(huán)節(jié)LD得到，ACR的輸出限幅值則限制最大的電流變化率。最后，由第三個(gè)調(diào)節(jié)器ADR的輸出限幅值決定觸發(fā)脈沖的最小控制角。帶電流變化率環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、電流變化率環(huán)的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓〔即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量〕變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。電流變化率環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中，=；為ADR的積分時(shí)間常數(shù)；為ADR時(shí)間常數(shù)調(diào)整器的分壓比；電流微分時(shí)間常數(shù)；電流微分濾波時(shí)間常數(shù)。在該設(shè)計(jì)中電流變化率調(diào)節(jié)器ADR選用PI調(diào)節(jié)器,取電流微分濾波時(shí)間常數(shù)為0.002S;電路中PI調(diào)節(jié)器的電阻R取為1K,調(diào)節(jié)器的電容取為47uF,ADR時(shí)間常數(shù)調(diào)整器的分壓比取0.5，得到積分調(diào)節(jié)器為；仿真后發(fā)現(xiàn)效果不好，就添加了比例調(diào)節(jié)器，放大系數(shù)取1，得到ADR的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為;一般取電流微分時(shí)間常數(shù)為0.01，電流檢測(cè)反應(yīng)為0.05，所以；+_〔a)SS二、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間常數(shù)滯后時(shí)間常數(shù)=0.0017s=0.18s〔4〕電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。由題目條件可知。故按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取=0.0037s。2.選擇電流調(diào)節(jié)器的構(gòu)造 根據(jù)電流超調(diào)量的要求，電流環(huán)按照典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)3.選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：電流反應(yīng)系數(shù)：=0.05V/A電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí),查表得,因此帶入以上數(shù)據(jù)有： =1.014.校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 〔1〕晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 而=，即滿足近似條件〔2〕忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 而 ==40.8<，即滿足近似條件〔3〕小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 而，即滿足近似條件三、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)如下1.確定時(shí)間常數(shù)，由電流環(huán)設(shè)計(jì)可知， 故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的構(gòu)造 由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中Kn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。3.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù) 按題目要求并參照課本相關(guān)表格，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 ：于是ASR的比例系數(shù)為：4.校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 〔1〕電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：滿足近似條件 〔2〕轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似條件：滿足近似條件四、Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析1.Simulink簡(jiǎn)介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)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(jiǎn)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、構(gòu)造和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)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(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)展建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同局部具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)立過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink®是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來對(duì)其進(jìn)展設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。.構(gòu)架在Simulink根底之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB®嚴(yán)密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)展算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)立、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。2．雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)simulink建模與仿真結(jié)果在仿真工程中,首先根據(jù)典型型或型系統(tǒng)的方法計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù),然后利用MATLAB的SIMULINK軟件進(jìn)展仿真,靈活修改參數(shù),直至得到滿意的結(jié)果.三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果圖如下：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖：三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)參加擾動(dòng)后的仿真圖3.結(jié)論從仿真結(jié)果圖中可以看出，在電機(jī)的啟動(dòng)階段，電流調(diào)節(jié)器作用下的電機(jī)電樞電流接近最大值，使得電機(jī)以最優(yōu)時(shí)間準(zhǔn)則開場(chǎng)上升。由圖可知，在電流的上升和下降階段，三閉環(huán)系統(tǒng)的過渡時(shí)間要比雙閉環(huán)的過渡時(shí)間長(zhǎng)，這是因?yàn)楫?dāng)電流變化率過大時(shí)，由于電流調(diào)節(jié)器ADR的作用，電流上升和下降速度變緩的原因。除了在電流的上升和下降階段，電流變化率環(huán)起作用外，其它的啟動(dòng)過程和雙閉環(huán)一樣。這既保持了雙閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，又克制了雙閉環(huán)在啟動(dòng)過程中電流變化率過大的缺點(diǎn)。五、總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，我根本掌握了三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過近兩周的設(shè)計(jì)，通過查閱資料，根本上掌握了三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成原理，掌握了電流變化率環(huán)的設(shè)計(jì)方法。在整個(gè)仿真過程中遇到了許多問題，比方先做雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真時(shí)，得到的仿真圖形不正確，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)設(shè)置不正確，經(jīng)過修改后得到可合理的仿真圖。再者，做三閉環(huán)的仿真時(shí)，得到了結(jié)果圖，不正確，出現(xiàn)了震蕩，經(jīng)過對(duì)電流變化率環(huán)ADR參數(shù)的反復(fù)修改，計(jì)算最后得到了比擬合理的仿真圖。雖然在這次課程設(shè)計(jì)中我遇到了很多的困難，但是經(jīng)過自己的努力，問題得到了解決，而且也學(xué)到很多的知識(shí)，加深了對(duì)課本上理論的理解程度，將自己的所學(xué)能運(yùn)用到實(shí)踐，鍛煉了自己獨(dú)立解決問題的能力。在此，也由衷感教師對(duì)自己的指導(dǎo)，這才能順利的完成課程設(shè)計(jì)。六、參考文獻(xiàn)[1]伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．：機(jī)械工業(yè)，2008.[2]王兆安．電力電子技術(shù)[M]．：機(jī)械工業(yè)，2003.[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].：科學(xué)，2007.[4]興．電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)[M]．：水利電力，1979.[5]阮毅，伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].：機(jī)械工業(yè)，2009.[6]薛定宇，.基于MATLAB/Simul