转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真分析毕业论文.docx

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1、淮南师范学院2015届本科毕业论文毕业论文（设计） 论文题目： 转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真分析 学生姓名： 徐锐 学生学号： 1114050140 系 别： 机械与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 届 别： 2015届 指导教师： 徐 小 军 目 录1绪论31.1论文选题的背景31.2本课题研究的历史及发展情况31.3本课题研究的意义31.4课题研究内容42双闭环直流调速系统的基本原理及数学建模42.1双闭环直流系统的基本组成与工作原理42.2双闭环直流调速系统的数学模型建立53转速电流双闭环直流调速器的简单设计63.1 电流调节器的初步设计6 3.2 转速调节器的设计10

2、 4双闭环直流调速系统的建模与MATLAB仿真1441基于数学模型的双闭环直流调速系统的仿真144.2基于电气原理图的双闭环直流调速系统仿真165结论18参考文献19转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真分析学生：徐锐（指导老师：徐小军）淮南师范学院机械与电气工程学院摘要：随着电器工业化的不断普及与发展，双闭环控制的系统依然发挥着它不可磨灭的作用。双闭环直流调速系统实现了智能化和数字化，更加方便了工业控制技术的生产和制作。依据转速、电流双闭环直流调速系统的基本原理我们对其进行了工程化的设计和数学建模。系统模型分两部分组成，一部分是由晶闸管所控制的直流电动机所组成的主电路系统，而另外一部分则是由转

3、速电流调节器所组成的控制电路。直流电动机控制电路，就是本次设计的主电路，它通过三相可控晶闸管整流来进行电路整流，通过PI调节器来进行控制，从而改变了了直流电动的电枢电压，因此进行调压调速。为了分别调节转速和电流，控制电路分别被引入了两个PI调节器来调节转速电流。这样一来，转速和电流负反馈就被引入了。为了使转速电流双闭环直流调速系统的正常运行，还需要控制电力电子变换器UPE，它是利用电流调节器的输出去控制的。然后进行模型的仿真，通过波形图的分析，显示转速电流双闭环控制的直流调速系统，拥有一个稳定的静动态特性。关键词：双闭环调速系统；晶闸管；ASR；ACR；Simulink/MATLAB仿真DC

4、speed control system speed and current double closed-loop control simulationStudent: Xurui(Faculty Adviser：Xuxiaojun)Huainan Normal College of Mechanical and Electrical EngineeringAbstract: With the growing popularity of industrialization and development of appliances, dual-loop control system still

5、 plays its indelible effect. Double closed loop DC system to achieve an intelligent and digital, more convenient production of industrial control technology and production.According to the basic principles of speed and current double closed loop DC system we carried out the engineering design and ma

6、thematical modeling. System model in two parts, part of the system consists of a main circuit thyristor controlled DC motor composed, while the other part is the speed of the current regulator is composed of a control circuit. DC motor control circuit, is the main circuit of this design, it is contr

7、olled by a three-phase thyristor rectifier for rectifying circuit to be controlled by the PI controller, thus changing the DC motor armature voltage, the regulator tune speed. In order to adjust the speed and current, respectively, the control circuit were introduced two PI controller to adjust the

8、speed of the current. As a result, speed and current negative feedback was introduced. In order to speed the normal operation of the DC current double closed loop speed control system, also need to control power electronic converters UPE, it is the use of the output of the current regulator to contr

9、ol. Then the simulation model by analyzing the waveform,with a stable static and dynamic characteristics.Keywords: dual-loop； thyristors,；speed regulator； current regulator,；Simulink / MATLAB simulation1绪论1.1论文选题的背景直流调速系统在现代自动控制系统中发展研究的比较早。与交流调速相比，虽然交流变调速技术发展，非常迅速，同时技术也越来越成熟，更受用户欢迎的是交流电动机有良好的经济性和简单的

10、维护性。但是直流电动机调速系统的优良的调速性是交流调速器所不能比拟的。单闭环系统对那些系统动态性能要求较高的则难以满足要求。若采用PI调节器，引入转速负反馈就可以有效的实现转速无静差。为了实现在允许条件下的最快启动，我们需要获取一段电流时刻保持在最大值的过程，想要得到近似的恒流过程，我们只需利用电流负反馈即可。因为在电机的启动过程中只能存在电流负反馈，所以转速负反馈就不能加入调节器的输出端，稳态状态时情况却又恰恰相反，此时只要有转速负反馈就可以了。因此考虑以上因素，我们选择双闭环直流调速系统。其次采用工程设计方法对双闭环系统的设计基于双闭环的电气原理图的SIMULINK的仿真，它能够直接明了的

11、分析出直流调速系统的动态抗干扰性能。然后我们根据要求建立合适的SIMULINK的仿真模型。最终由仿真波形分析并进行合理的调试，合理规划结构从而去解决系统中的各种干扰和不稳定，从而达到建立更加简便实用的工程设计方法的可能。1.2本课题研究的历史及发展情况双闭环直流调速系统期国外兴起起源于上世纪七十年代，并且在二十一世纪初随着发展技术的日趋成熟，双闭环直流调速系统实现了智能化和数字化，更加方便了工业控制技术的生产和制作。就目前而言，许多发达国家都在电气数字化下足了功夫，双闭环控制系统已经广泛应用到各类机器仪表。虽然我国在直流调速系产品上小有成就，但是离发达国家的水平还是有一定的差距，这主要体现在产

12、品的功能性和实用性。但是国外进口设备价格的偏高，却为国产的控制直流调速产品带来更广阔的前景和发展空间。 就国内而言，我国的双闭环控制系统经历了几十年的发展与蜕变，也已经逐步趋向于成熟，但是离发达国家还有一定的差距，我们任需要不断的努力去创新，去追赶，向着电气数字化的目标去奋斗。1.3本课题研究的意义双闭环直流调速系统拥有良好的调速性能，不仅如此该系统将静动态特性控制的恰到好处，在现代化的电气数字化的背景下已经成为被广泛采用的调速系统，它对电气工业化生产起到了推进作用。电力拖动自动控制系统的重要基础也是根据该系统的控制规律去衍生的。1.4课题研究内容第一章：探索了本课题研究的背景，讨论双闭环控制

13、系统的研究现状和发展情况，并简要的介绍了本课题所使用的软件发展概括。为下文的仿真实验分析作铺垫。第二章：本章介绍了双闭环直流调速系统的基本组成、结构和工作原理，分析了双闭环系统的基本公式和数学建模。为接下来的MATLAB仿真打下基础。第三章：对转速电流双闭环直流调速器中的具体器件进行设计，为仿真做足准备工作。第四章：基于数学模型对本课题利用MATLAB软件进行仿真与分析，从而基本了解MATLAB软件在电气工程设计中的应用。第五章：对本次课题研究做一个最终的总结，分析在本次实验仿真过程中遇到的问题以及处理方法。2双闭环直流调速系统的基本原理及数学建模2.1双闭环直流系统的组成与工作原理目前转速电

14、流双闭环控制的直流调速系统在现代控制系统得到了广泛的应用。对于单闭环系统很难满足对系统动态性能要求较高的系统。尤其是很难满足系统稳定时转速无静差，这就是在系统中加入了PI调节往往也很难满足要求。想要在允许条件下实现最快启动，那么我们需要克服的是如何保持恒流过程中获得电流的最大值。根据反馈控制原理，为了保持摸个物理量基本不变，我们可采用该量的负反馈。那么为了得到近似的恒流过程，我们可以采用电流负反馈来得到。所以，我们期望达到的控制是启动过程中有且仅有电流负反馈，而没有转速负反馈，这样一来，稳定状态时，电流负反馈将不再起作用，同时系统里只存在转速负反馈。因此，我们可以在系统中添加设置两个调节器来引

15、入两种反馈转速负反馈和电流负反馈。从而通过这两个调节器，我们可以是转速和电流的两个负反馈分别达到作用。如图1所示，将两者进行嵌套（或串级）联接。这样一来，该系统可以很直观的去分成两个部分去看：由于转速环在外边，则称为外环；从封闭的结构里看，电流环在内部，很显然称为内环；由此该整体就称为转速电流双闭环控制的调速系统。 图1 双闭环直流电机调速系统的原理图转速调节器和电流调节器大部分是采用PI调节器，究其原因是PI调节器能够更好的获得良好的静、动态性能。如图1-2就是这样组成的直流双闭环控制的调速系统的原理图。其中调节器的电压方向是依据电力电子变换器中的控制电压UC的方向为正方向，那么运算放大器的

16、倒相作用的因素也被考虑了进去。图中电力电子变换器的最大输出电压 被电流调节器ACR的输出限幅电压 所限制，那么我们可知，对电流给定电压的最大值起关键性作用的则是依靠转速调节器ASR。所以这两个调节器都具有限幅作用的。2.2双闭环直流调速系统的数学模型建立双闭环直流调速系统的动态结构如下图所示：图2 双闭环直流调速系统的动态结构图如图2所示， 为给定的初始电压， 为转速调节器ASR的输出电压，因为晶闸管是一个有滞后效应的放大环节，晶闸管的整流器在其中两个自然换相点之间会引起失控，那么就有了其滞后时间 。在实际应用中，我们往往可以忽略，把晶闸管的整流环节中的传递函数当作是一个一阶惯性环节，这样就对

17、工程计算实现了大大的简便，即 （1）电枢电流部分的传递函数在直流电机中要进行等效才能进行工程计算。具体等效如下： （2） （3） （4） （5）转速调节器用表示，其传递函数如下 （6）电流调节器用表示，其传递函数如下 （7）3转速电流双闭环直流调速器的简单设计3.1 电流调节器的初步设计3.1.1电流环结构框图的化简在图3，该设计主要问题体现在反电动势和电流反馈的作用是一样的，两者发生重合，但其实却大相径庭，其实它们是成正比关系。大多数情况下，机电时间常数Tm 远大于系统中的电磁时间常数TL，我们可以认为电流的变化总是要比转速的变化要快得多。如图3所示 ，我们忽略了反电动势对电流环的影响，得到

18、的近似条件 （8）图3 不计反电动势对电流环动态影响时的动态结构框图如果将反馈滤波和给定滤波也进行等效，接着把给定信号改成 ，这样一来电流环就可以被视为为一个单位负反馈系统。如图4所示图4 电流环被等效成单位负反馈系统时的动态结构框图此外，因为TS和TOI远远小于TL，我们就可以忽略不计，把他们一个惯性环节，则时间常数为 （9）则简化图为图5所示。简化的近似条件为 （10） 图5 近似处理之后的小惯性环节的电流动态框图3.1.2 电流调节器结构的选择 为了实现电流无静差，从中得到理想化的堵转特性，由图5可知，我们需要采用型系统较为稳妥。另外，考虑到动态稳定性，我们不允许电枢电流受到突加控制。这

19、是为了来确保电流在动态过程中不超过允许值，这样一来，我们可以忽略电压的波动和及时抗干扰作用。为此，电流环主要看它的跟随性能就可以了，所以显而易见我们应该选择典型 型系统。由图5可知，电流环控制的对象是双惯性的，这样我们采用PI型的调节器就可以校正获得典型I系统了。这样我们就得到了如下的传递函数 （11）又因为控制对象中的大时间常数极点可以和调节器零点互相抵消 （12）那么电流环的动态框图就变得简洁明了。如图6所示的典型形式。其中 （13）图6 典型型系统中电流环动态结构校正框图3.1.3电流调节器的参数的计算1.确定时间常数1）整流装置滞后时间常数 。2）电流环内小时间常数 。3）电磁时间常数

20、 （14）2.选择电流调节器结构我们初步设计在保证稳态电流无静差的前提下，要求 ，这样可以用电流调节器调节典型型系统。我们之所以采用PI 型电流调节器进行调节是因为电流环所控制的对象是双惯性的。传递函数为：经过设计检验后，我们发现电流环的动态指标为 符合要求。3.电流调节器中的参数设定电流反馈系数： 电流环开环增益： （15）ACR的比例系数为 （16）那么电流调节器的传递函数为： （17）经过设计检验后，电流环的动态指标为 。因为电流环的截止频率远远低于转速环的截止频率，电枢电流闭环传递函数可以等效为一个惯性环节，则： （18）3.1.4电流调节器的实现由图7可知，电力电子变换器的控制电压U

21、C实际上就是调节器的输出电压。其中，电流的给定电压 为。则电流负反馈电压为 。 运算放大器的相应公式如下 （19） （20） （21）图7 PI 型电流调节器（包含了给定滤波和反馈滤波）3.2 转速调节器的设计3.2.1等效之后电流环的传递函数为了得到电流环对应的等效环节，我们还需算出电流环的闭环传递函数 （22）忽略其高次项，则可降阶近似认为 （23）近似条件则为 （24）转速环内的电流环部分等效为 （25）3.2.2 转速调节器的结构的选择电流环被等效后，转速调速控制系统的动态图就如图8所示。图8 转速环（等效后）的动态结构框图将电流环信号重置为U*n(s)/a，然后再把时间常数为 1 /

22、 KI 与 T0n 的这两个小惯性环节合并后，得到一个时间常数是 的惯性环节，其中 （26）最后转速环结构框图的简化图如下图9 转速环（近似处理后）的动态结构框图我们需要设置一个积分环节在负载扰动作用点前面，这是为了实现转速的无静差，它同时也应该包含在转速调节器 ASR 中（见图9），与此同时，既然此时积分环节已经出现在扰动作用点了。那么显而易见典型系统满足要求，这在满足系统转速无静差的前提下又达到了不错的动态抗扰性。则转速调节器的传递函数为 （27）系统中开环传递函数表达式为 （28）设转速环开环增益为 （29）则 （30）忽略负载的扰动时，调速系统经过校正之后的动态框图应为如图10所示。图

23、10 典型系统校正后转速环的动态结构框图3.2.3 转速调节器的参数计算1.确定时间常数1）电流环等效时间常数1/KI ：已取 ，则 2）转速滤波时间常数: 3）转速环小时间常数：2.选择合适的转速调节器PI 调节器对应的传递函数为 （31）3. 计算转速调节器的参数挑选转速调节器根据抗扰性较好的，我们取h=4，则调节器超前时间常数为 转速调节器ASR的比例系数为 则转速调节器传递函数为： 经过检验可知，满足 的设计前提。3.2.4 转速调节器的实现图11是PI型转速调节器含有给定滤波和反馈滤波的原理图。图11 PI型转速调节器在加有给定滤波和反馈滤波的原理图转速调节器中的参数与电阻、电容值的

24、比例关系为 （32） （33） （34）4双闭环直流调速系统的建模与MATLAB仿真41基于数学模型的双闭环直流调速系统的仿真根据以上章节的准备，我们结合了控制器中的结构以及参数，就可以建立转速、电流双闭环直流调速系统的模型。如下图所示，我们使得系统在空载状态下启动，并且额定转速控制在44r/min左右，在3s中后突然加上1/2的额定负载。我们就可以轻而易举的得到仿真结果。图12 双闭环直流调速系统的数学模型图13 电机的转速曲线图14 电动机电枢电流的仿真曲线双闭环调速系统在数学模型中的仿真分析：(1)电机启动分析:双闭环直流调速系统启动前总是处于静止状态，所以我们知道电机的转速为零，整流电

25、压也为零。这样我们可知电动机开始启动的临界状态就是当电枢电流与负载电流相同时即可。由图13和图14可知，双闭环系统的启动经历了三个阶段。一开始是电流的上升阶段，这时转速调节器介入，然后维持饱和状态，电流调节器却恰恰相反；其次是系统的电流恒定升速阶段。这个阶段，我们需要电枢电流保持稳定不变的状态，需要电流调节器的介入使得电机转速上升；第三阶段是转速调节器退饱和状态，由于转速调节器的介入，电枢电流将慢慢下降直至到负载电流所对应的值，之后电机将稳态运行。(2)系统的抗干扰性能的分析:系统拟定在空载启动时，我们在3s时加入了一半的额定负载来致使负载发生变化。由于负载的突然介入，电机转速不升反降，由图可

26、知，通过0.2s左右的延时，调节系统介入，转速逐渐回到了原始系统的输出值，那电机电流的变化就显而易见了，从开始的空载电流变化至现在的负载电流，进入稳定状态。所以我们得到的结论是该系统对负载的变化具有良好的抗干扰性。4.2双闭环直流调速中电气原理图的系统仿真系统的仿真模型图15如下，从中我们可以显而易见的发现该模型是由主回路和控制回路分别镶嵌组成。主回路包含了晶闸管和电动机等部分，控制回路则分别由转速、电流调节器组合而成。图15 双闭环直流调速系统中电气原理图仿真图16 电机的转速仿真曲线图17 电机电枢电流的仿真曲线仿真结果与分析：由图17所示，在电枢电流的仿真曲线中大约在0.17s时，电枢电

27、流降低到零，这是因为电机的启动过程刚刚结束，对比图16可获得此时转速也达到了额定值，符合理论。在维持了一段时间后，在0.4s时有突加的负载介入，电机转速立马下降，此时转速调节器将介入进行调节，由图17我们可知调节的时间大约在0.2s左右。经过调节后，转速趋于平稳并且稳定在系统的输出值。相比于图14，为什么电枢电流会出现负值的猜测：我们在仿真设计中拟定所有的电器元件都是理想状态的，并且晶闸管中的整流装置的传递函数也是线性变化的，既然输出电压是负值，那么相应的点数电压为负值也不足为奇了。此外由于误差的存在，我们得到的图片并不是那么完美，实际调试中我们的曲线波动较大，调节灵敏度也不够高，所以在细节部

28、分还有待提高。5结论这次毕业设计主要让我了解了转速电流双闭环直流调速系统的组成和它的工作原理，同时通过数学建模，让我对MATLAB软件的应用有了进一步的提升。根据工程方法设计了双闭环调速系统，通过自己的摸索和网上搜集的资料数据，进行了有效的数学建模，最后利用MATLAB软件进行仿真分析。存在的不足与改进：因对MATLAB软件使用没能达到熟能生巧的地步，由于英语水平匮乏，在设计建模时遇到很多困难，虽然参考了很多书籍，但还是做的不够完善。而在仿真结束后，因知识水平有限而对结果的分析也不够精准和全面。今后会继续查阅书籍，多多请教老师与同学，争取做到尽善尽美。参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统.第

29、4版M，机械工业出版社，2009.82王兆安、黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20003张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲M.机械工业出版社，2010.14胡寿松.自动控制原理.第五版M，北京：科技出版社，20075王兆安、刘进军.电力电子技术.第五版M，北京：机械工业出版社，2009.56顾绳谷.电机及拖动基础.第四版，北京：机械工业出版社，2007.107林飞、杜欣.电力电子技术的MATLAB仿真M.中国电力出版社，20098洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M.北京：机械工业出版社，20069彦硕.自动控制原理M.北京：机械工业出版社，

30、2006.10陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统第3版M.北京：机械工业出版社，200711Pillay P,Krishnan R.Modeling,simulation,and analysis of rmanent-magnet motor drives, Part2:The brushless DC motor drive J,IEEE Trans. On Industry Applications ,1989,25(2);274-279.12Evans P D,Brown D.Simulation of brushless DC rivesJ. IEE Proceedings B

31、,Electric Power pplications,137(5):299-308.13Jawad Faiz,M.R.Azizian and M.Aboulghaswmian-Azami.Simulation and analysis of brushless DC motor drives using hsteresis,ramp comparison and predictive current control tchniquesJ,Simulation Practice and Theory, Volume 3, Issue 6, 15 January1996,Pages 347-36

32、314A.E.Fitzgerald,Charles Kingsley,Jr,Stephen D.Umans.Electric Machinery(Sixth Edition)M.Beijing:Tsinghua University Press,2003.15JACK A G.，BEDFORD T J. An analysis of the results from the computation of transients in synchronous generators using frequency domain methodsJ. IEEE Transaction on Energy

33、 Conversion,1988,3(2):375-383.19致谢 四年光阴，转眼飞逝。一切的一切仿佛还停留在昨天。我在淮南师范学院的大学四年学习生活即将要画上句号，在此，我要特地感谢我们机械与电气工程学院的全体老师，因为有你们，引领我们走上了电气事业，让我们对电气工程从陌生到了解，同时是你们生动、幽默的上课氛围感染了我们，将一些些枯燥的电气图形象生动的解释给我们听，让我们真正从内心出发，爱上了这个专业。在大学期间，所有老师都在学习和生活上给予了我莫大的帮助和鼓励，使得我四年的大学生活不致荒废。正是在各位老师的谆谆教诲下，我自身的学习能力和处理问题的独立性得到了显著提高，对本专业的知识也有了

34、一定程度的加深与了解，这对我以后的学习、生活和工作来说尤为重要。以后，我们将进入社会，开始独自打拼，我们所学的，老师所角的将使我们受益终身。在这美好的大学四年，发自肺腑地说，这是我这一生中最为重要的经历，无论是学习上还是生活上。正是因为有这四年跟老师和同学们的相识，相知和相处，使我更加成熟、稳重，更懂得珍惜。这些，对我以后在社会上立足至关重要，这时刻影响着我。感谢在我大学生活里出现的每一位老师，正因为有你们使得我走向成熟，谢谢你们的教诲与。论文大体基本完成，在这期间，我想感谢一个人，那就是我的论文导师徐小军老师。为了此次论文的设计占用了老师很多个人时间，在这里我想对老师说，您辛苦了。导师学识渊博，治学态度严谨务实，思维敏捷，极具创新的学术思想，强烈的责任感，朴实认真的工作作风，在以后的工作或是生活中都值得我去学习，去感悟。我想要成为一个想老师那样对电气专业热爱，努力专研的人！最后我想再次感谢我的导师和机械与电气工程学院的全体老师！