單閉環(huán)雙閉環(huán) 仿真

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)：041141 學(xué) 號(hào)：04114067 姓 名：何爽 1. 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓UN=220V，額定電流IdN=55A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.192Vmin/r假定晶閘管整流裝置輸出電流可逆，裝置的放大系數(shù)Ks=44，滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.00167s電樞回路總電阻R=1.0，電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.00167s，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.075s轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.01Vmin/r對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給點(diǎn)電壓Un*=10V1、 單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速

2、系統(tǒng)的仿真PI控制器在于被控對(duì)象串聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而增加得負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度。單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型： 改變PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果如下：Kp=0.25， 1/=3時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流Kp=0.56， 1/=11.43時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流 Kp=0.8， 1/=15時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流 分析：若調(diào)節(jié)器參數(shù)是：Kp=0.25， 1/=3，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)無超調(diào)，但調(diào)節(jié)時(shí)間很長；若是：Kp=0.8

3、， 1/=15，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)的超調(diào)較大，但快速性較好。和比例調(diào)節(jié)器相比，比例積分調(diào)節(jié)器能很好的消除靜差。以下改變Kp，而 1/保持不變，仿真結(jié)果如下：Kp=10， 1/=15時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流Kp=10， 1/=15時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流Kp=20， 1/=15時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流Kp=30， 1/=15時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流可見在積分系數(shù)不變時(shí)，改變比例系數(shù)時(shí)，系統(tǒng)由穩(wěn)定，到振蕩再到不穩(wěn)定以下改變1/，而Kp保持不變，仿真結(jié)果如下：Kp=0.25， 1/=10時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流Kp=0.25， 1/=20時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流Kp=0.25， 1/=40時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流Kp=0.25， 1/=100時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流可見在保持比例系

4、數(shù)不變，改變積分系數(shù)時(shí)系統(tǒng)逐漸由穩(wěn)定狀態(tài)過度到振蕩狀態(tài)在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能。在采用了PI調(diào)節(jié)器以后，構(gòu)成的是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。利用上圖的仿真模型，改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，可以得到振蕩，有靜差，無靜差，超調(diào)大或啟動(dòng)快等不同的轉(zhuǎn)速曲線。改變PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以得到轉(zhuǎn)速響應(yīng)的超調(diào)量不一樣，調(diào)節(jié)時(shí)間也不一樣的響應(yīng)曲線。由以上仿真圖形可見隨著比例系數(shù)Kp和積分系數(shù) 1/的增大，系統(tǒng)的超調(diào)量在增大，穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時(shí)間變短，快速性增強(qiáng)。即系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性是一對(duì)矛盾，必須根據(jù)工程的要求，選擇一個(gè)合適的PI參數(shù)。2. 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真 把上述仿真模型中

5、的積分部分去掉，P控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它對(duì)系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但這會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如下： 該系統(tǒng)模型的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Wcl（s）= K=特征方程為=0即TsTiTmS3+Tm(Ts+Ti)S2+(Tm+Ts)S +K+1=0由勞斯判據(jù)可知：S3 TsTiTm Tm+Ts S2 Tm(Ts+Ti) K+1S1 Tm+Ts- 0S0 若要系統(tǒng)穩(wěn)定，則要求K<改變比例系數(shù)，可得到單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

6、調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果： 當(dāng)Kp=0.25時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流當(dāng)Kp=0.56時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流當(dāng)Kp=0.8時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流當(dāng)Kp=10時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流當(dāng)Kp=30時(shí) 轉(zhuǎn)速 電流分析：圖中是的仿真圖形，可見隨著比例系數(shù)增大，超調(diào)量隨著增大，穩(wěn)定性變差，比例系數(shù)過大時(shí)，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。由仿真結(jié)果表明，利用MATLAB的simulink對(duì)各調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，可以迅速直觀地分析出系統(tǒng)的跟隨性能、抗擾性能及穩(wěn)定性，使得對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)及校正變得更簡單方便，大大縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，提高了開發(fā)系統(tǒng)效率。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，MATLAB的simulink確實(shí)是個(gè)經(jīng)濟(jì)、簡單、快速、高效的工具。 2. 轉(zhuǎn)速、電流反饋控

7、制直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理:在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào)，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào),直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng),速度調(diào)節(jié)

8、器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí),迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。仿真題目：某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路各環(huán)節(jié)基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：220V、136A、1460r/min,=0.132.min/r,允許過載電流倍數(shù)=1.5；晶閘管裝置的放大系數(shù)：電樞回路總電阻：R=0.5；時(shí)間常數(shù)：電流反饋系數(shù)：=0

9、.05V/A;轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.007V.min/r;設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量5%。 要求轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%。1，電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與仿真：電流調(diào)節(jié)器有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào)，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào)，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)距和最大加速度，使起、制動(dòng)過程時(shí)間最短。根據(jù)工程設(shè)計(jì)的方法將電流環(huán)校成典型系統(tǒng)，典型系統(tǒng)的跟隨性較好，超調(diào)量較小。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。電流環(huán)開環(huán)增益=135.1；電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間

10、常數(shù) ；ACR的比例系數(shù) 根據(jù)上述的設(shè)計(jì)參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 =4.3%<5%，符合設(shè)計(jì)要求仿真模型為：當(dāng)KT=0.25，按按典型I型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.5067+，得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真圖形為：無超調(diào)，但上升時(shí)間長。當(dāng)KT=0.5，按按典型I型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為1.013+，得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真圖形為：有較小的超調(diào)，上升時(shí)間較長當(dāng)KT=1.0，按按典型I型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2.027+，得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真圖形為：超調(diào)大，但上升時(shí)間短。由以上仿真圖形可見，隨著KT的增大，超調(diào)量增大，系統(tǒng)的

11、穩(wěn)定性變差，但上升時(shí)間變短，快速性變好。總結(jié)：當(dāng)KT=0.5時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)較合理。2，轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真：根據(jù)工程的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)=2=2*0.0037s=0.0074令h=5，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T= ,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益，ASR的比例系數(shù)Kn=11.7仿真模型為：取KT=0.5，h=5時(shí)情況下，雙擊階躍模塊把階躍值設(shè)置為10，得到啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線，最終穩(wěn)定運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速，空載起動(dòng)時(shí)波形：把負(fù)載電流設(shè)置為136，滿載啟動(dòng)，得到轉(zhuǎn)速與電流曲線，滿載運(yùn)行時(shí)起動(dòng)的波形：由仿真計(jì)算結(jié)果表明，利用MATLAB的simulink對(duì)各調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，可以迅速直觀地分析出系統(tǒng)的跟隨性

12、能、抗擾性能及穩(wěn)定性，使得對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)及校正變得更簡單方便，我們通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，分析理論設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)的偏差，逐步改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，找出較佳性能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得系統(tǒng)的調(diào)試得到簡化，大大縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，提高了開發(fā)系統(tǒng)效率。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，MATLAB的simulink確實(shí)是個(gè)經(jīng)濟(jì)、簡單、快速、高效的工具。  3. 電壓空間矢量(SVPWM)調(diào)制空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)，實(shí)際上是對(duì)應(yīng)于交流感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)中的三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關(guān)觸發(fā)順序和組合將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差120°電角度、失真較小的正弦波電流波形。SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期TPWM內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量(和)和零矢量