雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及變負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線matlab仿真

1、武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及變負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線matlab仿真學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師2016年12月日摘要電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是靜動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良的直流調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對(duì)象是轉(zhuǎn)速。它的跟隨性能可以用階躍給定下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述，設(shè)計(jì)時(shí)一般遵循時(shí)間最優(yōu)的理想過(guò)渡過(guò)程設(shè)計(jì)。電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。掌握雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)起重要的作用。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，時(shí)間參數(shù)小，可以快速的跟蹤給定電流，被稱作電流內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在

2、外面，時(shí)間參數(shù)大，但是能夠跟蹤給定電壓，從而調(diào)整轉(zhuǎn)速，被稱作轉(zhuǎn)速外環(huán)；這樣構(gòu)成了電流轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。選擇合理的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能使系統(tǒng)更好地達(dá)到生產(chǎn)工藝所要求的性能指標(biāo)。本次課程設(shè)計(jì)的目的就是利用MATLAB進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和計(jì)算分析。通過(guò)變負(fù)載擾動(dòng)，和轉(zhuǎn)速環(huán)斷線的仿真來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和可能出現(xiàn)的情況，從理論和仿真進(jìn)一步了解雙閉環(huán)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速，變負(fù)載擾動(dòng)，轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線，MATLAB仿真目錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析11.1初始條件11.2主要任務(wù)12.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖23.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)33.1確定時(shí)間常數(shù)33.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)33

3、.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)33.4校驗(yàn)近似條件44.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)54.1確定時(shí)間常數(shù)54.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)54.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)54.4校驗(yàn)近似條件64.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量65.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真76.仿真結(jié)果及分析9收獲體會(huì)11參考文獻(xiàn)12本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表13雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及變負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線matlab仿真1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析1.1初始條件不可逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相半波整流電路，系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下：直流電機(jī)：Unom=220V，Inom=305A，nnom=1000r/m，Ce=0.196Vmin/r，允許過(guò)載倍數(shù)=1.5；時(shí)間常數(shù)：

4、TL=0.012S ，Tm=0.12；晶閘管裝置放大倍數(shù)：Ks=35 主電路總電阻：R=0.18；額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓Un*=10V，調(diào)節(jié)器ASR飽和輸出電壓8V。設(shè)計(jì)要求如下：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，D=10。動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i5%，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n15%。1.2主要任務(wù)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是合理的選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足生產(chǎn)工藝的要求，穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算是調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，他決定了控制系統(tǒng)的基本組成，然后在通過(guò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)性能滿足要求。經(jīng)過(guò)分析可以將本次設(shè)計(jì)分解為以下幾個(gè)部分，參數(shù)的選取和計(jì)算，電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)、MATLAB仿真并進(jìn)

5、行結(jié)果分析。2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器突出飽和。換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。圖2-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

6、的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示，圖中ASR和ACR分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來(lái)。調(diào)節(jié)器后面的低通濾波環(huán)節(jié)可以抑制各種擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)的影響。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示。圖2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.1確定時(shí)間常數(shù)整流裝置采用三相半波整流電路，其平均失控時(shí)間Ts=0.0033s；三相半波電路每個(gè)波頭的時(shí)間是6.67ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有Toi=2.5ms，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。3.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求

7、i5%，并保證電流無(wú)靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流反饋系數(shù)：電流開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，查表得，應(yīng)取，因此于是，ACR的比例系數(shù)：3.4校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：1)校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。2)校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。3)校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。圖4-1轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.1確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。已取，則根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的

8、波紋情況，取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取4.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為4.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為于是，可求得ASR的比例系數(shù)為4.4校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件滿足簡(jiǎn)化條件。2) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。4.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表是按線性系統(tǒng)分析的，突然加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)z=0,

9、根據(jù)已知數(shù)據(jù)和求的的數(shù)據(jù)有：，。當(dāng)h=5時(shí)，查表可得，且有能滿足設(shè)計(jì)要求。5.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖5-1所示。圖5-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型對(duì)應(yīng)的代碼如下：a=0.01b=0.0175Ton=0.01Ki=0.304Ti=0.012Toi=0.0025Kn=6.35Tn=0.108Ks=35Ts=0.00333R=0.18Tl=0.012Tm=0.12Ce=0.196inom=305nnom=1000sim('double_closed_loops_speed_regulation_system.mdl',6)figure(

10、'Name','起動(dòng)轉(zhuǎn)速與起動(dòng)電流的波形')plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values,'LineWidth',4)figure('Name','ASR輸出電壓的波形')plot(ScopeData1.time,ScopeData1.signals.values,'LineWidth',4)figure('Name','ACR輸出電壓的波形')plot(ScopeData2.time,ScopeData2.signals.

11、values,'LineWidth',4)figure('Name','直流電壓Ud的波形')plot(ScopeData3.time,ScopeData3.signals.values,'LineWidth',4)仿真開(kāi)始后，3s時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)斷線。仿真截止時(shí)間是6s。6.仿真結(jié)果及分析起動(dòng)轉(zhuǎn)速與起動(dòng)電流波形如圖6-1所示，直流電壓Ud波形圖如圖6-2所示，ASR輸出電壓波形如圖6-3所示，ACR輸出電壓波形如圖6-4所示。圖6-1起動(dòng)轉(zhuǎn)速與起動(dòng)電流波形圖圖6-2直流電壓Ud波形圖圖6-3ASR輸出電壓波形圖圖6-3ACR輸出電壓波形

12、圖起動(dòng)階段分為電流上升階段，恒流升速階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（其中包括轉(zhuǎn)速超調(diào)），轉(zhuǎn)速超調(diào)量符合設(shè)計(jì)要求，由于采用的PI調(diào)節(jié)器，故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍D符合條件。中間一段轉(zhuǎn)速保持相對(duì)不變時(shí)，達(dá)到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定n=1000r/min，此時(shí)，ACR的輸出為7.5V。在3s時(shí)，使轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線，則此時(shí)的ASR馬上就會(huì)飽和，則電流環(huán)的給定電壓就會(huì)達(dá)到最大，電流環(huán)調(diào)節(jié)很快，出現(xiàn)了一個(gè)很小的峰值，隨后減小至375A左右，小于允許最大值478A。ACR的輸出會(huì)達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)值10.7V左右，比之前穩(wěn)態(tài)的值要相對(duì)大一些。轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)值n=1500r/min。15收獲體會(huì)本次運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)一步培

13、養(yǎng)了獨(dú)立查閱資料、完成一個(gè)基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真的能力，也進(jìn)一步地熟悉了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理以及simulink的仿真設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我明白了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性。空有理論知識(shí)不足以解決實(shí)際問(wèn)題，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，才能真正提高學(xué)生的實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與獨(dú)立思考的能力。上課學(xué)習(xí)到的東西，如果不經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，會(huì)難以發(fā)現(xiàn)容易出錯(cuò)的地方，最后只會(huì)一知半解。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算，仿真等一系列步驟，我對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理有了一定程度的理解，也發(fā)現(xiàn)了一些新的需要解決的問(wèn)題。在本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我遇到的問(wèn)題，如下：在進(jìn)行simulink仿真時(shí)，對(duì)matlab本身

14、，simulink內(nèi)的元器件及它們的使用方法不甚了解。通過(guò)翻閱專業(yè)資料，上網(wǎng)查找相關(guān)文獻(xiàn)的方式，我熟悉了如何使用這些工具。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處在于對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，或者掌握得不夠牢固，故在做課設(shè)的過(guò)程之中需要一直對(duì)照教材，因此強(qiáng)化了對(duì)課本的理解。課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的是學(xué)生的邏輯分析能力，讓學(xué)生思考如何使方案趨于規(guī)范嚴(yán)密。我從中認(rèn)識(shí)到，只有注意到每一個(gè)細(xì)節(jié)，要達(dá)到的目標(biāo)才能完美實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)未來(lái)學(xué)習(xí)工作有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.8：9-89.2王再英，劉淮霞.過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1：208-216.3李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005.8：26-90.4王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社