1、小H電）我叢大號仿真設計報告內容學院專業(yè)班級學號學生姓名指導教師完成日期年月日轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的Simulink仿真設計一、系統(tǒng)設計目的直流調速系統(tǒng)具有調速范圍廣、 精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點， 所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。 根據(jù)直流電動機的工作原理建立了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型， 并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。按照自動控制原理， 對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎上， 設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。 對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試

2、， 表明所設計的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設計要求。采用 MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行計算機輔助設計，并用SIMULINK 進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設計的調速系統(tǒng)是否可行。二、系統(tǒng)理論分析2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)工作原理電動機在啟動階段，電動機的實際轉速低于給定值,速度調節(jié)器的輸入端偏差信號，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調節(jié)器, 此時以最大電流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到最大給定值, 電動機以最大電

3、流恒流加速啟動。電動機的最大電流可通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。 在轉速上升到給定轉速后 , 速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零, 速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽和狀態(tài) ,閉環(huán)調節(jié)開始起作用。對負載引起的轉速波動,速度調節(jié)器輸入端偏差信號將隨時通過速度調節(jié)器、電流調節(jié)器修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應變化校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調節(jié)器的小時間常數(shù), 還能對因電網(wǎng)波動引起的電樞電流的變化進行快速調節(jié),可在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度穩(wěn)定于某一轉速。2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)組成為實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用， 可在

4、系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié) 轉速和電流。兩者實行嵌套連接，如圖1所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的 輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。圖1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)其中：ASR-轉速調節(jié)器ACR-電流調節(jié)器TG-測速發(fā)電機TA-電流互感器UPE-電力電一*子變換器Un -轉速給定電壓Un-轉速反饋電壓Ui -電流給定電壓Ui -電流反饋電壓2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)分析一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡

5、可能大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉速后，電流應快速下降，保證輸出轉矩與負載轉矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。這種理想的起動過程如圖2所 示。編輯版word圖2理想啟動過程Un*Tons£TJKi(TiS* 1)TuiS+ 1TiSTs£+ 1SCRACRAfiRToiS+1圖3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖編輯版word參考雙閉環(huán)的結構圖和一些電力電子的知識， 采用機理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖3所示。2.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)參數(shù)描述參數(shù)：CeUn iNRanN220 136 0.214600.132VTiL 15 10R 0.50.03TmGD2R22.5 0.5”0

6、.18375ceCm375 0.132 300.132Jr30Cm Ce 1.26三、系統(tǒng)模型設計在設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)時，一般是先內環(huán)后外環(huán)，調節(jié)器的結構和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)校正的設計與調試都是按先內環(huán)后外環(huán)的順序進行，在動態(tài)過程中可以認為外環(huán)對內環(huán)幾乎無影響， 而內環(huán)則是外環(huán)的一個組成 環(huán)節(jié)。工程設計的步驟如下：1對已知系統(tǒng)的固有特性做恰當?shù)淖儞Q和近似處理，以簡化調節(jié)器結構。2根據(jù)具體情況選定預期特性，即典型I系統(tǒng)或典型R系統(tǒng)，并按照零極點相消的原則，確定串聯(lián)調節(jié)器的類型。3根據(jù)要求的性能指標，確定調節(jié)器的有關 P、I、D參數(shù)4校正。3.1電流環(huán)的設計1、

7、電流環(huán)的簡化：圖4簡化后電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設計，ACR選PI調節(jié)器。K= (KKsB) WtR)2、確定時間常數(shù)(1)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時間Ts°.017s；(2)電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.33m§為了基本濾平波頭,0.0037so應有 1 2Toi3.33ms,因此取 入 2ms 0.002s.(3)電流環(huán)小時間常數(shù)Ti o按小時間常數(shù)近似處理，取Ti Ts To3、確定將電流環(huán)設計成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設計要求i 5%,而且三 -003- 8.11 10,因此，電流環(huán)可按典型I型T i 0.0037系統(tǒng)設計。4、

8、電流調節(jié)器的結構選擇電流調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：Wacr s Ki is5、選擇電流調節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：i Ti 0.03s；電流環(huán)開環(huán)增益：因為要求5% ,故應取KiT i 0.5 ,因此Ki0.5T70.51135.1s0.0037于是，ACR的比例系數(shù)為KiKiiRKZ0.03 0.5 彳135.1 1.013。0.05 406、計算電流調節(jié)器的電路參數(shù)Ri CiBidRo/2Ro/2CoiUctR0/2R0/2CoiRbal圖5電流調節(jié)器原理圖電流調節(jié)器原理如圖5所示，按所用運算放大器，取 計算如下：R040K ,各電阻和電容值RiKiR01.013 4040.52K

9、 ,取 40K ;CiCoii0.003R40Toi4 一 4R01030.750.002401030.2 F ,取 0.2 F。3.2轉速環(huán)的設計1、轉速環(huán)的簡化:圖6簡化后的轉速環(huán)2、確定時間常數(shù)：(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)為20.0074s；(2)轉速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton 0.01s；(3)轉速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取 Tn 2T i Ton 0.0174s。 3、轉速環(huán)設計系統(tǒng)：由于設計要求轉速無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動態(tài)設計要求， 應按典型II型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。4、轉速調節(jié)器的結構選擇轉速調節(jié)器選用PI型，其傳遞函

10、數(shù)為：Wasr sKn上。nS5、選擇轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好的原則取 h=5,則ASR超前時間常數(shù):hTn 5 0.0174 0.087s;轉速開環(huán)增益:Knh 1 CeTm2h RT nK h 1N2h2T 2T n6 0.05 0.1322 5 0.07 0.562 396.4 ;于是ASR的比例系數(shù)為:2 25 0.017420.1811.7。0.01746、計算轉速調節(jié)器的電路參數(shù)轉速調節(jié)器原理圖如圖 電阻和電容值計算如下：7所示,按所用運算放大器，取 R。40 K ,各RnKnRo 11.740468KCnConnRn4 ToiR00.0874701030.1850.

11、0140R0/2103R0 CnR0/2二 Con, *UiR0/2R0/2an 1一'ConRbal圖7轉速調節(jié)器原理圖四、系統(tǒng)仿真運行4.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)定量仿真模型4.2.3轉速環(huán)的抗擾編輯版word分析：可以使電流快速達到，并保持略低于的值，實現(xiàn)快速啟動，最終達到恒速。且具 有抗擾作用，使轉速維持在給定值。空載能比滿載更快速啟動。五、仿真設計總結本文通過建立直流電機轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)數(shù)學模型設計，根據(jù)具體指標參 數(shù)，應用工程方法設計了電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器，設計中選擇合適的調節(jié)器類型，給出了系統(tǒng)動態(tài)結構圖并進行了仿真和性能分析。利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink,對所設計的電流環(huán)和轉速環(huán)的階躍信號進行了仿真計算，很容易繪制出各單 位擾動曲線，并計算出階躍擾動響應性能指標，從階躍擾動響應曲線及其指標得出：對擾動信號，該系統(tǒng)具有很強的抗擾性能。由仿真計算結果表明，利用 MATLAB的simulink對各調速系統(tǒng)進