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1、摘要转速、电流双闭环调速系统是性能很好，应用最广的调速系统，采用转速、电流双闭环调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环调速系统的控制规律性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，这样形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。而合理地选择电流调节器和转速调节器的结构和参数则是为了使系统更好的满足生产工艺所要求的性能指标。本次课设的目的就是利用matlab进行双闭环调速系统的仿真计算。关键词：双闭环 调速 电流调节器 转速调节器 仿真目录
2、摘要 I1 设计任务与分析 11.1设计任务 11.2任务分析 12 设计原理 22.1双闭环系统简介 2 2.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 22.1.2双闭环系统稳态结构图 22.1.3双闭环系统动态结构图 32.1.4转速调节环作用 32.1.5电流调节环作用 32.2双闭环调速系统调节器的工程设计方法 32.3典型系统结构 52.3.1典型型系统 52.3.2典型型系统 63.系统调节器设计 103.1电流环设计 103.1.1电流环结构设计 103.1.2电流环参数设计 113.2转速环设计 133.2.1转速环结构设计 13 3.2.2转速环参数设计 144.matla
3、b仿真 174.1启动电流启动转速波形 174.2直流电压仿真184.3 ASR输出电压的波形 184.4 ACR输出电压的波形 195.课程设计小结 206.参考文献 21双闭环调速系统设计及恒负载扰动电流环突然断线matlab仿真1、 设计任务与分析1.1设计任务：不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相半波整流电路，基本数据：直流电动机：=220V，=308A，=1000r/min， =0.196Vmin/r；允许过载倍数=1.5,；时间常数：=0.012s =0.12s；晶闸管放大倍数：=35,主回路总电阻：R=0.18；额定转速时的给定电压=10V，调节器ASR，AC
4、R饱和输出电压=8V。设计要求稳态指标：稳态无静差，D=10动态指标：电流超调量5%，空载启动到额定转速时的转速超调量15%。选择系统参数，计算电流环和转速环的参数，并用matlab仿真恒负载扰动电流环突然断线的情况。1.2任务分析：转速、电流双闭环调速系统是性能很好，应用最广的调速系统，采用转速、电流双闭环调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环调速系统的控制规律性能特点和设计方法是各种交、电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理
5、图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。2、 设计原理2.1双闭环系统简介2.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上
6、看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。2.1.2双闭环系统稳态结构图图1 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数ACR电流调节器 ASR转速调节器2.1.3双闭环系统动态结构图图2 双闭环系统的动态结构图2.1.4转速调节环作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快德跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.1.5电流调节环作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用
7、是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）对转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.2双闭环调速系统调节器的工程设计方法现代的电力拖动自动控制系统，除电动机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统可以近似为低阶系统，而用运算放大器或微机数字控制可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简
8、化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统做比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多，这就是工程设计方法。调节器工程设计方法所遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。如果要求更精确的动态性能，在典型系统设计的基
9、础上，利用MATLAB或SIMULINK进行计算机辅助分析和设计，也可设计出实用有效的控制系统。作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分作两步：第一步，先选择调节器的结果，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。以上两步就把稳、准、快、抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳态性的稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其他动态性能指标。控制系统的开环传递函数都可以表示成 （2-1）分母中的sr项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r
10、型系统。为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（r=0），至少是型系统（r=1）；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统（r=2）才能实现稳态无差。选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于型（r=3）和型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把型和型系统作为系统设计的目标。2.3典型系统结构型和型系统又都有多种多样的结构，它们的区别就在于除原点以外的零、极点具有不同的个数和位置。如果在型和型系统中各选择一种结构作为典型结构，把实际系统校正成典型系统，显然可使设计方法简单得多。因为只要事先找到典型系统的参数和系统动态性能指标之间的关系，求出计算公式或制成备查的表格，在
11、具体选择参数时，只需按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了。这样就使设计方法规范化，大大减少设计工作量。2.3.1典型型系统作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为 （2-2） 式中， T系统的惯性时间常数； K系统的开环增益。典型型系统的闭环系统结构图如图3（a）所示，图3（b）表示它的开环对数频率特性。对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。a） 典I系统闭环结构图b） 典I系统开环频率特性只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往是控制对象本身固有的，唯一 图3可变的只有开环增益K 。设计时，需要
12、按照性 能指标选择参数K的大小。 当，由开环对数频率特性可知 所以相角裕度为 ，K值越大，截止频率wc 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 g 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。（1）动态跟随性能指标由图3（a）可得典型型系统的闭环传递函数为 （2-3）表2-1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比z超调量s上升时间 tr峰值时间 tp相角稳定裕度 g截止频率wc1.00 %76.30.243/T0.81.5%6.6T8.3T69.90.367/T0.7074.3 %4.7T6.2
13、T65.50.455/T0.69.5 %3.3T4.7T59.2 0.596/T0.516.3 %2.4T3.2T51.8 0.786/T（2）动态抗扰性能指标影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系，典型型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。表2-2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系27.8%12.6%9.3%6.5%2.83.43.84.014.721.728.730.42.3.2典型型系统典型型系统的开环传递函数表示为:（2-10）系统的闭环系统结构图如图4（a）所示，图4（b
14、）表示它的开环对数频率特性。典型型系统的时间常数T也是控制对象固有的，而待定的参数有两个： K 和 t 。定义中频宽：（2-11）中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。图4 a） 典系统闭环结构图b） 典系统开环频率特性（2-12）改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，此特性与闭环系统的快速性有关。系统相角稳定裕度为：（2-13）比T大得越多，系统的稳定裕度就越大。采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。（2-14）（2-15）在确定了h之后，可求得 （2-16） （2-17）（1） 动态跟随性能指标按M
15、r最小准则选择调节器参数，典型型系统的开环传递函数为：（2-18）系统的闭环传递函数为：（2-19）当R(t)为单位阶跃函数时， ：（2-20）表2-3 典型型系统阶跃输入跟随性能指标 (按Mrmin准则确定参数关系)h345678910str / Tts / Tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201（2） 动态抗扰性能指标如前所述，控制系统的动态抗扰性能指标是因系统结构和扰动作用点而异的。转速环在负载扰
16、动作用下的动态结构如图5所示：图5 转速环在负载扰动作用下的动态结构图中， 是电流环的闭环传递函数，采用PI调节器。在扰动作用点前后各有一个积分环节，可用图6（a）来表示它的动态结构，扰动量作用下的等效结构图为图6（b）。在图6中，用作为扰动作用点前的控制对象，这是为了和式（2-10）所定义的典型型系统在形式上一致。图6a）电流环动态结构图 b）扰动量作用下的等效结构图表2-4 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系H345678910Cmax/Cbtm / Ttv / T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3
17、.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85由表2-4中的数据可见， 值越小， 也越小， 都短，因而抗扰性能越好。但是，当 时，由于振荡次数的增加，h再小，恢复时间 反而拖长了。 是较好的选择，这与跟随性能中调节时间 最短的条件是一致的（见表2-3）。3.系统调节器设计3.1电流环设计 3.1.1电流环结构设计电流环的动态结构图如图7所示。对电流环来说，反电动势是一个变化缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，
18、得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图7（a）所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： （3-1）式中 电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图7（b）所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为 （3-2）则电流环结构框图最终简化成图7（c）所示。简化的近似条件为 （3-3）（a）（b）（c）图7 电流环的动态结构图及其化简（a)忽略反电动势的动态影响 （b)等效成单位负反馈系统 （c)小惯性
19、环节近似处理3.1.2电流环参数设计（1）确定时间常数：整流装置滞后时间常数，查表得三相半波电路的平均失控时间=0.0033s。电流滤波时间常数，三相半波电路每个波头时间为0.0033s，为了基本滤平波头，应有（1-2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取=+=0.0053s。（2）选择电流调节器结构：根据设计要求，并保证电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： （3-4）检查抗扰性能：，查表2-2可得各项指标均可接受。（3） 计算ACR参数：电流调节器超前时间常数：
20、。电流环开环增益：ACR比例系数：（4） 电流环校验近似条件电流环截止频率为：1） 检验晶闸管整流装置传递函数近似条件： 满足2） 检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 满足3） 校验电流环小时间常数近似处理条件： 满足（5） 计算电容电阻电流调节器ACR电路图如图8：图8 电流调节器ACR电路图按所选放大器取，各电阻和电容计算如下：3.2转速环设计3.2.1转速环结构设计用电流环的等效环节代替图2中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图9（a）所示。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，
21、近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （3-5）则转速环结构图可简化成图9（b）。（a）（b）（c）图9 转速环的动态结构框图及其简化（a）用等效环节代替电流环 （b）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理 （c）校正后成为典型型系统为了实现无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，由于扰动作用点后面已经有一个积分环节，因此转速环中就有两个积分环节，应该设计为典型型系统，ASR也采用PI调节器，传递函数为 （3-6）式子中为转速调节器比例系数，为转速调节器超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为： （3-7）令转速环开环增益为： （3-8）按照典型型系统的参数关系，有 （3-9）
22、 （3-10）所以 （3-11）一般取h=5。3.2.2转速环参数设计（1）确定时间常数：1） 电流环等效时间常数。取 2） 转速滤波时间常数3） 转速环小时间常数（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数见（3-6）。（3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为开环增益ASR比例系数（4）校验近似条件转速环截至频率1） 电流环传递函数简化条件： 满足 2） 转速环小时间常数近似处理条件： 满足（5） 计算电阻电容 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图10所示。图10 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器取，则 （6）
23、校核转速超调量当h=5时，查表得，不能满足设计要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和时的情况重新计算。满足空载启动到额定转速时的超调量要求。4、 matlab仿真采用MATLAB对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（）稳定运行时电流环突然断线仿真框图，见图11：图11 双闭环系统仿真模型图4.1启动电流启动转速波形空载启动，2s时达到额定转速，在step2处给定4s时电流环断线。转速和电流波形如图12所示：图12转速和电流波形图1） 计算超调量： 电流超调量为 ，符合要求转速超调量为，符合要求。2） 仿真图启动与过程分析：空载启动，电流上升阶段电流
24、很快达到最大值，ASR进入饱和状态。恒流升速阶段电流基本恒定，转速则呈线性增长。转速调节阶段当转速上升到给定值时，ASR输入偏差为零。转速超调后，ASR输入偏差为负，开始退饱和，系统转速逐渐稳定下来。当到2s时，在额定转速下，转速下降后又趋于稳定。到4s时，电流环断线，ACR没有电流反馈环节，电流很快增加，转速反馈增大，ASR输出减小，使ACR输入增大，转速反馈减小，与给定偏差增大，ASR输出增大，ACR输入增大，转速反馈增大，依次这样震荡。4.2直流电压仿真直流电压的仿真波形如图13所示：图13 直流电压波形4.3 ASR输出电压的波形ASR输出电压的波形如图14所示：图14 ASR输出电压
25、波形4.4 ACR输出电压的波形ACR输出电压的波形如图15所示：图15 ACR输出电压波形5、 课程设计小结本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。在完成了理论的参数设计以后，在matlab软件中进行仿真运行，从运行结果图来看，本次设计基本完成了任务要求。短短一个多星期的电力拖动与控制系统课程设计很快就结束了
26、，从这次课程设计里我不仅体会到了成功的喜悦，也收获了学习的快乐。前面的参数设计都不难，和平时上课时做过的作业是差不多类型的。而matlab仿真部分，因为做过了多次课程设计，对matlab基本操作也比较了解，参考了课本上的原理讲解以后很容易完成了matlab仿真任务。课程设计和平时的理论学习不同。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决问题，并锻炼实践能力的过程，这也将为我们未来进入社会工作打下了坚实的基础。从这次设计过程中，我懂得了理论与实际结合的重要性，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考能力。从课程设计中我也发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。6、参考文献1 阮毅，陈维钧.运动控制系统.北京：清华大学出版社，2006 2 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京：机械工业出版社，2009.83 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真. 北京：中国电力出版社，2004 4 张崇巍，李汉强运动控制系统武汉：武汉理工大学出版社，2002 5 王兆安、黄俊电力电子技术（第4版）北京：机械工业出版社，2000
