雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真實驗報告.doc

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真1、實驗目的1熟悉晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其基本原理。2掌握晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)及反饋環(huán)節(jié)測定方法。3掌握調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計及仿真方法。2、實驗內(nèi)容1調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計2仿真模型建立3系統(tǒng)仿真分析3、實驗要求用電機參數(shù)建立相應(yīng)仿真模型進行仿真4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成及工作原理晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)由三相調(diào)壓器，晶閘管整流調(diào)速裝置，平波電抗器，電動機發(fā)電機組等組成。本實驗中，整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制回路可直接由給定電壓Uct作為觸發(fā)器的移相控制電壓，改變Uct的大小即可改變控制角，從而獲得可調(diào)的直流電壓和轉(zhuǎn)速，以滿足實驗要求。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，二者之間實行嵌套聯(lián)接，如圖4.1。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流的輸出去控制電力電子變換器UPE。在結(jié)構(gòu)上，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)特性，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG圖4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 5、電機參數(shù)及設(shè)計要求5.1電機參數(shù)直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.192V min/r，允許過載倍數(shù)=1.5，晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40電樞回路總電阻：R=0.5 時間常數(shù)：Tl=0.00167s, Tm=0.075s電流反饋系數(shù)：=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007 V min/r 5.2設(shè)計要求要求電流超調(diào)量i5%，轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。6、調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計 6.1電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計（1）確定電流環(huán)時間常數(shù)1）裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s；2）電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s；3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti=Ts+Toi=0.0037s；（2）選擇電流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求i5%，并且保證穩(wěn)態(tài)電流無差，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，且Tl/Ti=0.03/0.0037=8.11ci，所以滿足近似條件；2）校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足：31/TmTl40.82s-1ci，所以滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設(shè)計指標要求和近似條件。同理，當KT=0.25時，可得Ki=0.5067 i=16.89;當KT=1.0時，可得Ki=2.027 i=67.5676.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計（1）確定轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為2Ti=0.0074s；2）電流濾波時間常數(shù)Ton根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s；3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn=2Ti+Ton；（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器（PI），其傳遞函數(shù)為WASRs=Knns+1ns式中Kn電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。（3）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為n=hTn=0.087s，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為KN=h+12h2Tn2396.4s-2所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kn=(h+1)TmCe2hRTn11.7（4）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn=KNn34.5s-11）校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足：由于(1/3)KI/Ti63.7s-1cn,所以滿足簡化條件；2）校驗轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件：由于(1/3)KI/Ton38.7s-1cn，所以滿足近似條件。3）核算轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，Cmax/Cb=81.2%，而nN=INR/Ce=515.2rpm，因此n=(Cmax/Cb)2(-z)(nNTn)/(n*Tm)=8.31%10%能滿足設(shè)計要求。7、仿真模型的建立利用MATLAB上的SIMULINK仿真平臺，建立仿真模型。如圖7.1為電流環(huán)的仿真模型，圖7.2為加了轉(zhuǎn)速環(huán)之后的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型。圖7.1 電流環(huán)的仿真模型_圖7.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型8、仿真結(jié)果分析當取Ki=1.013，i=33.77時，電流環(huán)階躍響應(yīng)快，超調(diào)量小。圖8.1 電流環(huán)仿真結(jié)果當Ki=0.5067，i=16.89時，電流環(huán)階躍響應(yīng)無超調(diào)，但上升時間長。圖8.2 無超調(diào)的仿真結(jié)果當Ki=2.027，i=67.567時，電流環(huán)階躍響應(yīng)超調(diào)大，但上升時間短。圖8.3 超調(diào)量較大的仿真結(jié)果當Kn=11.7，n=134.48時，圖7.2中“step1”中“step time”值為0，“final value”值為10，代表空載狀態(tài)，此時系統(tǒng)起動速度快，退飽和超調(diào)量較大。圖8.4 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動波形圖當Kn=11.7，n=134.48時，圖7.2中“step1”中“step time”值為0，“final value”值為136，代表滿載狀態(tài)，此時系統(tǒng)起動時間延長，退飽和超調(diào)量減小。圖8.5 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動波形圖當Kn=11.7，n=134.48時，圖7.2中“step1”中“step time”值為1，“final value”值為10，加入擾動瞬間系統(tǒng)曲線有波動，但迅速恢復穩(wěn)定。圖8.6 轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖通過以上仿真分析，與理想的電動機起動特性相比，仿真的結(jié)果與理論設(shè)計具有差距。為什么會出現(xiàn)上述情況，從理論的設(shè)計過程中不難看出，因為在“典型系統(tǒng)的最佳設(shè)計法”時，將一些非線性環(huán)節(jié)簡化為線性環(huán)節(jié)來處理，如滯后環(huán)節(jié)近似為一階慣性，調(diào)節(jié)器的限幅輸出特性近似為線性環(huán)節(jié)等。經(jīng)過大量仿真調(diào)試，改變電流和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，兼顧電流、轉(zhuǎn)速超調(diào)量和起動時間性能指標。9、心得體會利用MATLAB上的SIMULINK仿真平臺對直流調(diào)速系統(tǒng)進行理論設(shè)計與調(diào)試，使得系統(tǒng)的性能分析過程