1、題目：雙閉環直流調速系統的設計與仿真已知：直流電動機：P=60KW,U=220V,I=305A,n=1000r/min,入=2,R=0.08,NNNNaR=0.1,T=0.097s,T=0.012s,T=0.0017s,電樞回路總電阻R=0.2Q。設計要recmls求：穩態無靜差，a后，電動機開始轉動,由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因此轉速調節器ASR的輸入偏差電壓AUk=U：-Uk數值仍很大其輸出電壓保持限幅值5；,強迫電流打迅速上升。直到打強,B時.電流調節器ACR很-夬壓制了為的增加，標志著這一階段的結束=lL?n.豆在這一階段中tASR由不飽和很快達到飽和：而ACR應該不飽和匸

2、圖2雙.閉壞調速系統起動過程的轉速和電流波形第II階甌tlh是恒流加速階設。這一階段是起動過程抽主要喬段n在這個階段中.A5R始終是飽和的，轉速環胡當于開環，系統成為在恒給定下L?fl的電流調節系統，基本上保持電流恒定，因此系統是加速度恒定，轉速呈線性增長，同時電機的電動勢也按線性增長，對電流調節系統來說，正是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，Ud和乞也必須基本上按線性增長才能保持匚恒定.當ACR采用PI調節器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的，即打應略低于/盤。第in階段：血以后是轉速調節階段。當轉速上升到給定值/時，轉速調節器朋R的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由

3、于積分作用，還維持在限幅值U；m7所以電機仍在加速，使轉速超調.轅速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態，巧和打很快下降，但是，只要打仍大于轉速就繼續上升，直到Id=1轉矩Te=TLJ貝|dn,轉速口才到達峰值，此時律咕此后電機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在時間段為-丄,直到運疔穩豈第III階段能R和ACR不飽ft,ASR起主導的轉速鍛節作用，ACR則力圖使打盡快跟隨U：,即電流環是一個電流隨動系統。總上所述,雙閉環調速系統的起動過程有三個特點：1）飽和非線性控制：在不同情況下表現為不同結構的線性系統。2）轉速超調：按照PI調節器的特性，只有轉速超調，AER的輸入偏差電壓

4、AS為員值，才能使ASR進飽和=這就是說，采用PI調節器的取閉環調速系統的轉速必超諫,速時的轉速超調量s蘭10%；12電流調節器設計1：確定時間常數。3JI7兀兀=40.38s-1見,滿足近似條件；3）校驗小時間常數近似處理是否滿足條件：%（1/3）頁,在一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉速、電流雙閉環調速系統中，已知電動機的額定數據為：p=60kW,U=220V,I=308A,n=1000r/min,電動勢系數C=0.196TOC o 1-5 h zNNNNeV.min/r,主回路總電阻R=0.18Q,觸發整流環節的放大倍數K=35。電磁時間常數sT=0.012s,機電時間常數T=0.12

5、s,電流反饋濾波時間常數T=0.0025s,轉速反饋濾波時lm0i間常數T=0.015s。額定轉速時的給定電壓(U*)=10V,調節器ASR，ACR飽和輸出電壓OnnNU*=8V,U=65V。imcm系統的靜、動態指標為:穩態無靜差，調速范圍D=10,電流超調量bW5%,空載起動到額定轉i速時的轉速超調量b10%。試求：n確定電流反饋系數B(假設起動電流限制在11/屮以內)和轉速反饋系數a。試設計電流調節器ACR,計算其參數R、C、C。畫出其電路圖，調節器輸入回路電TOC o 1-5 h zi,iOi阻R=40k0。0設計轉速調節器ASR,計算其參數R、C、C。(R=40kQ)nnOn0計算電

6、動機帶40%額定負載起動到最低轉速時的轉速超調量o。n計算空載起動到額定轉速的時間。 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 解：(1)0=U*/1=8V/(1.1*I)=8V/339A=0.0236V/AimdmNa=10/1000=0.01Vmin/r(2)電流調節器設計確定時間常數：a)T=0.00333ssb)T=0.0025soic)T=T+T=0.0025+0.00333=0.00583sTOC o 1-5 h z工i0is電流調節器結構確定：K仕s+1)因為b3T3x0.00333cS“忽略反電勢的影響的近似條件:3冶二3彳鼎麗二7906

7、S一1化勺mlc）電流環小時間常數的近似條件：3：齊二3：0.00333:0.0025二口皿役s0i可見滿足近似等效條件電流調節器的實現：選R0二40K,則:TOC o 1-5 h zR二KR二0.224x40K二8.96K，取9K.ii0C/R二0.012/（9x103）二1.33yF由此iii HYPERLINK l bookmark18 o Current Document C二4T/R二4x0.0025/40 x103二0.25卩F0i0i0（3）速度調節器設計確定時間常數：a）電流環等效時間常數】/K:因為KT=0.5II為i貝y1/K二2T二2x0.00583二0.01166sI為

8、ib)T二0.015sonc）T二1/K+T二0.01166+0.015二0.02666s工nIon速度調節器結構確定：按照無靜差的要求，應選用PI調節器，W(s)二W(s)二ASRK(Ts+1)fL速度調節器參數確定:=hT=hT,取h=5,t=hT=0.1333s工nh+12h+12h2T2工n(h+1)PCT_6x0.0236x0.196x0.12em2haRT2x5x0.01x0.18x0.02666工n2x52x0.026662168.82w校驗等效條件6.94cna）電流環近似條件:T為i=185.76cna）電流環近似條件:T為i=185.76=40.43s-13V0.00583

9、b）轉速環小時間常數近似：38576=25.2s-10.015cnK-T3=K/=Kt=168.82x0.1333=22.5s-1N1Nncn可見滿足近似等效條件。轉速超調量的校驗(空載Z=0)ACQ%二ACQ%二2*(max)(九一Z)nCb二11.23%10%AnTN戶n*Tm=2x81.2%x1.1x308x0.180.196x10000.026660.12轉速超調量的校驗結果表明，上述設計不符合要求。因此需重新設計。查表，應取小一些的h,選h=3進行設計。按h=3，速度調節器參數確定如下：e=hT=0.07998sn工nK=(h+1)/2h2T2=4/(2x9x0.026662)=31

10、2.656s-2N工nK=(h+1)PCT/2haRT=4x0.0236x0.196x0.12/(2x3x0.01x0.18x0.02666)=7.6nem工n校驗等效條件：=K/Kt=312.656x0.07998=25s-1cnN1Nna)1/3(K/T)1/2I為i二1/3(85.76/0.00583)a)1/3(K/T)1/2I為icn=25.2s-1ocnb)1/3(K=25.2s-1ocnIon可見滿足近似等效條件。轉速超調量的校驗：Q二2x72.2%x1.1x(308x0.18/0.196x1000)x(0.02666/0.12)二9.97%10%n轉速超調量的校驗結果表明，上述

11、設計符合要求。速度調節器的實現：選R=40K,則R=KxR=7.6x40=304K，取310K。0nn0C二t/R二0.07998/310 x103二0.258yFnnnC二4T/R二4x0.015/40 x103二1.5yFonon04)40%額定負載起動到最低轉速時：Q%二2x72.2%x(1.1-0.4)x(308x0.18/0.196x100)x(0.02666/0.12)二63.5%n僅考慮起動過程的第二階段。僅考慮起動過程的第二階段。GD2dn根據電機運動方程：375TT,dteLdtdnC(II)GD2dn根據電機運動方程：375TT,dteLdtdnC(II)R(II)dLmd

12、mGD2It?RdmdL(II)廠Gd2RdmdLCTCeme375CCme0.196*0.12*1000=0.385s所以：(II)R(1.1*3080)*0.18dmdL2系統仿真1.1理論計算參數仿真分析根據理論設計結果，構建直流雙閉環調速系統的仿真模型，如圖2所示。在額定轉速和空載下，對系統進行仿真得到電動機電樞電流和轉速的仿真輸岀波形,如圖3o團2直流雙閉環調速系統的仿真模型團3額茜專速空載時轉速仿真減形團4調整后的轉速仿真波形從圖3中可知：1：轉速超調量為25%,轉速超調量過大，系統相對穩定性弱；2：整個起動過程只需0一6秒，系統的快速性較好。1.2仿真調試分析誦過以上仿真分析，與

13、理想的電動機起動特性相比，仿真的結果與理論設計具有差距。為什么會岀現上述情況，從理論的設計過程中不難看岀，因為在典型系統的最佳設計法時，將一些非線性壞節簡化為線性環節來處理，如滯后壞節近似為一階慣性，調節器的限幅輸岀特性近似為線性環節等。經過夫量仿真調試，改變電流和轉速環調節器的參數，兼顧電流、轉速超調量和起動時間性能指標，找岀最佳參數為：jK.=0.33?T.=0.022；fL8,1./?巧=0.3其轉速波形如圖4所示。從圖4中可知：1:轉速環超調量為6%?超調量符苛要求2：整個起動過程約為0.S秒，系統的快速性仍較好。3結論以上分析表明，利用matlab仿真平臺對直流調速系統理論設計與調試

14、使得系統的性能分析過程簡單。通過對系統進行仿真，可以準確地了解到理論設計與實際系統之間的偏差，逐步改進系統結構及參數，得到最優調節器參數，使得系統的調試得到簡化，縮短了產品的開發設計周期。該仿真方法必將在直流調速系統的設計與調試中得到廣泛應用。陳伯時電力拖動自動控制系統律三版）.北京：機械工業岀版社，2004；陳桂明等.應用MATLAB建模與仿真.北京：科學岀版社，2嘰姬宣德等.基于matlab的矢量控制系統仿真礦山機械2005.K鼬turmnDi：0，T4*1D匚”D.13.+TrjnsftriFcr1rjnrtfF沁IfsnstarFETiS2D015050-imeoffset:01005

15、0L010.(1150.020.0251030.0350.040.045105QScop*Ir回管自色歸兄盹!aia日垢II250150100500.01Q020.030.040050.0S0.07O.(N003回0limpoffset：0回18Q0T1600140012001000800eoo40Q200r200D.2050.6尋自IPIPPE遛ea回18Q0T1600140012001000800eoo40Q200r200D.2050.6尋自IPIPPE遛eaTimeoffset:0Timeoffset011c_ovjnfflTT古點：田油我扌云的出、點知上匕:由丹冷犬分析：啟動過程的第一

16、階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉速環相當于開環狀態，系統表現為恒值電流給定作用下的電流調節系統，電流基本上保持不變，拖動系統恒加速，轉速線形增長。第三階段，當轉速達到給定值后。轉速調節器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現超調。轉速超調后，ASR輸入端出現負偏差電壓，使它退出飽和狀態，進入線性調節階段，使轉速保持恒定，實際仿真結果基本上反映了這一點。由于在本系統中，單片機系統代替了控制電路的絕大多數控制器件，所以各項數據處理和調整都是在單片機內完成的，控制效果

17、要好于本次的仿真結果。4.23仿真結果3A5節轉速環設計舉例ASRL調節器傳遞函數為11.7+134.48輸入模塊階躍值11.7+134.48輸入模塊階躍值設置為1C時的系統仿真結果如圖所示=負載電流負載電流設置為137時仿真結果如下圖4-9所示=婦果在負載電流TdL的輸入端加上負載電濟，利用轉速環仿真模型同樣可以對轉速環抗擾過程進疔仿真，空載運行過程中受到了額定電流擾動時的轉速與電流仿真結果圖下圖4-10所示。圖4-10$速環的抗擾波形圖4.2.4仿真結果分析由圖4-8仿真結果可以看到轉連調節器經過了不憲和、飽和、退憲和三個階段，最終穩定在給定的轉速不變。由圖4-9可以看岀：當把負載電流設置

18、為137時.電機淋載啟動.此時啟動時間較長:，退飽和超說量滅少=由圖4-10轉速環的抗擾波形圖可以獲知：當在負載電流Iji(s)的輸入謊加上負載電流時直流電機空載運行受到額定電流擾動時特性。通過三個圖很好的說明了電機的運行特性備注：MATL.AB/SIMLINK各個模塊的用途，陸卩:求取系統單位階躍響應創皿對輸入信號進行求和對輸入信號乘上一個常數增益Scope:在仿真過程中顯示信號Saturation:對輸入信號進行限幅Mux:把幾個信號合并成向量形式陳怕時，電力拖動自動控制至統呦.第3版，機械工業出版社，2003.7劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真沙第2版電子工業出版社，2004.9樊立萍，袁德成.林偉.直流調遠系統的雙閉環自適應控制J.沈由化工學院學報,2000年9月，第14卷,第3期:2222274近代電權調速技術衛.上海寶鋼奠團教育青訓中心，2004引顧繩谷.電機與拖動基礎.北京：機械工業出版社，20056吳麒.自動控制原理EM.北京：清華大學出版社,1992了阮毅，陳伯時電力傳動系統的轉矩控刮規律J電氣傳動1999(1)8陶永華，尹怡欣,葛蘆生.新型PID控制及其應用ML北京:機械工業出版社,1998