運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、本科生課程論文課程名稱 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)學(xué) 院 機(jī)自學(xué)院專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào) 1212XXXX學(xué)生姓名 翟自協(xié)指導(dǎo)教師 楊影分 數(shù) 18題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真對(duì)例題3.8設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析，仿真時(shí)間10s。具體要求如下： 在一個(gè)由三相零式晶閘管供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，已知電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為： PN=60kW， UN =220V， IN=308 A， nN=1000 r/min ， 電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce=0.196 V·min/r ，主回路總電阻 R=0.18，變換器的放大倍數(shù) Ks=35。電磁時(shí)間常數(shù) Tl=0.012s，機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=0.1

2、2s，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Toi=0.0025s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton=0.015s。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓(Un*)N=10V，調(diào)節(jié)器ASR，ACR飽和輸出電壓Uim*= 8V ， Ucm =7.98V。系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，調(diào)速范圍D=10，電流超調(diào)量 5% ，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 10%。試求：（1）確定電流反饋系數(shù)(假設(shè)起動(dòng)電流限制在 以內(nèi))和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。（2）試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR.和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。（3）在matlab/simulink仿真平臺(tái)下搭建系統(tǒng)仿真模型。給出空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分部分不限幅與限幅時(shí)的仿真波形（包括轉(zhuǎn)速、電

3、流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分部分輸出），指出空載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速波形的區(qū)別，并分析原因。（4）計(jì)算電動(dòng)機(jī)帶40%額定負(fù)載起動(dòng)到最低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n。并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。（5）估算空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。（6）在5s突加40%額定負(fù)載，給出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器限幅后的仿真波形（包括轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分部分輸出），并對(duì)波形變化加以分析。解：（1）=Uim*Idm=8V1.1*IN=8V339A=0.0236 VA =101000=0.01V minr（2）電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)：a) Ts=0.00333sb) Toi=0.0025s c) T

4、i=Toi+Ts=0.0025+0.00333=0.00583s電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)確定：因?yàn)閕5%，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用PI調(diào)節(jié)器，WACRS=Ki(iS+1)iS電流調(diào)節(jié)器參數(shù)確定：i=Tl=0.012s，選KITi=0.5 ，KI=0.5Ti=85.76 s-1，Ki=KIiRKs=85.76×0.012×0.1835×0.0236=0.224校驗(yàn)等效條件：ci=KI=85.76 s-1電力電子裝置傳遞函數(shù)的近似條件：13Ts=13×0.00333=101.01>ci忽略反電勢(shì)的影響的近似條件：31TmTl=310.12×0.012

5、=79.06 s-1<ci電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似條件：131TsToi=1310.00333×0.0025=115.52 s-1>ci可見(jiàn)滿足近似等效條件。速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)：a）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1KI:因?yàn)镵ITi=0.5則1KI=2Ti=2×0.00583=0.01166 sb）Ton=0.015 sc）Tn=1KI+Ton=0.01166+0.015=0.02666 s速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)確定：按照無(wú)靜差的要求，應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，WASRs=Kn(ns+1)ns速度調(diào)節(jié)器參數(shù)確定：n=hTn，取h=5，n=hTn=0.1333 sKN=h+12h2Tn

6、2=62×52×0.026662=168.82 s-2Kn=(h+1)CeTm2hRTn=6×0.0236×0.196×0.122×5×0.01×0.18×0.02666=6.94校驗(yàn)等效條件：cn=KN1=KNn=168.82×0.1333=22.5s-1a）電流環(huán)近似條件：13KITi=1385.760.00583=40.43s-1>cnb）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似：13KITon=1385.760.015=25.2s-1>cn可見(jiàn)滿足近似等效條件。轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校驗(yàn)（空載Z=0）n%

7、=2*CmaxCb-znNn*TnTm=2×81.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.026660.12=11.23%>10%轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校驗(yàn)結(jié)果表明，上述設(shè)計(jì)不符合要求。因此需要重新設(shè)計(jì)。查表，應(yīng)取小一些的h，選h=3進(jìn)行設(shè)計(jì)。按h=3，速度調(diào)節(jié)器參數(shù)確定如下：n=hTn=0.07998 sKN=h+12h2Tn2=42×9×0.026662=312.656 s-2Kn=(h+1)CeTm2hRTn=4×0.0236×0.196×0.122×3&#

8、215;0.01×0.18×0.02666=7.7校驗(yàn)等效條件：cn=KN1=KNn=312.656×0.07998=25s-1a）電流環(huán)近似條件：13KITi=1385.760.00583=40.43s-1>cnb）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似：13KITon=1385.760.015=25.2s-1>cn可見(jiàn)滿足近似等效條件。轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校驗(yàn)：n%=2*CmaxCb-znNn*TnTm=2×72.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.026660.12=9.97%<10%轉(zhuǎn)

9、速超調(diào)量的校驗(yàn)結(jié)果表明，上述設(shè)計(jì)符合要求。（3）在matlab仿真平臺(tái)下搭建系統(tǒng)仿真模型：限幅時(shí)的仿真波形：a)轉(zhuǎn)速：b)電流：c)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出：d)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分部分輸出：不限幅時(shí)的仿真波形：a)轉(zhuǎn)速：b)電流：c)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出：d)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分部分輸出：由上圖可知，空載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的波形在限幅和不限幅上的區(qū)別還是很大的。空載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速波形的區(qū)別：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分部分不限幅時(shí)：振蕩次數(shù)較于限幅時(shí)更多，超調(diào)比較大，起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，調(diào)節(jié)時(shí)間更加長(zhǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分部分限幅時(shí)：振蕩次數(shù)少于不限幅時(shí)，超調(diào)較小，起動(dòng)時(shí)間較短，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。引起區(qū)別的原因： 當(dāng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分部分不限幅時(shí)，速

10、度調(diào)節(jié)器達(dá)到限幅值時(shí)，轉(zhuǎn)速還未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速 ，偏差均大于零，積分部分的輸出一直在增大，這就導(dǎo)致使積分部分輸出的值變得很大。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，積分調(diào)節(jié)器的輸出不能立即變小，而是需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使積分調(diào)節(jié)器的輸出恢復(fù)到開(kāi)始限幅瞬間的數(shù)值。在這段時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)器暫時(shí)失去調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)致ASR在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都是限幅輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)速一直在增加，所以ASR積分部分不限幅時(shí)，轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。（4）40%額定負(fù)載起動(dòng)到最低轉(zhuǎn)速時(shí)：因?yàn)橛深}目要求帶40%額定負(fù)載，所以IdL=zIdN=0.4×308=123.2An%=2×72.2%×1.1-0.4×3

11、08×0.180.196×1000×0.026660.12=6.35%仿真結(jié)果：n%=1049-10001000=4.9%與估算結(jié)果相近。（5）根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程：GD2375dndt=Te-TLdndt=Cm(Idm-IdL)GD2375=R(Idm-IdL)CeGD2R375CmCe=(Idm-IdL)RCeTm所以，t=CeTmn*(Idm-IdL)R=0.196×0.12×1000(1.1×308-0)×0.18=0.385s（6）在5s突加40%額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速仿真波形：電流仿真波形：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出仿真波形：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

12、積分部分輸出仿真波形：分析：突加給定電壓后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出恒定的限幅電壓Uim*，使電機(jī)在恒流條件下啟動(dòng)，啟動(dòng)電流IdIdm=Uim*，而轉(zhuǎn)速則按線性規(guī)律增長(zhǎng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一旦飽和，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定電壓所對(duì)應(yīng)的給定值n*時(shí)，反饋電壓才與給定電壓平衡，此后轉(zhuǎn)速偏差電壓Un變?yōu)樨?fù)值，使ASR退飽和。ASR開(kāi)始退飽和時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)電流Id仍大于負(fù)載電流IdL，電動(dòng)機(jī)仍然加速，直到IdIdL時(shí)，轉(zhuǎn)速才降低下來(lái)，因此啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速一定超調(diào)。在5s時(shí)突加40%額定負(fù)載擾動(dòng)，即IdL=123.2A，則轉(zhuǎn)速受擾動(dòng)，會(huì)有所下降，使電動(dòng)機(jī)電流Id升高。直到Id>IdL時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速才回升，同時(shí)電機(jī)電流下降，最后穩(wěn)定在123.2A。心得體會(huì)：由于之前課程對(duì)matl