轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真(共18頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上X X X X 學(xué) 院電力拖動課程設(shè)計學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 題 目: 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 初始條件：一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)?；緮?shù)據(jù)如下：直流電動機(jī)參數(shù)為：額定功率PN=60kW，額定電壓UN=220V,額定電流IN=308A；額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min,電動勢系數(shù)Ce=0.196V·min/r，允許過載倍數(shù)=1.1；觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=35；主回路總電阻R=0.18；電磁時間常數(shù)Tl=0.012s；機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.12s；電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.0025s；轉(zhuǎn)

2、速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.015s。額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓Un*=10V，調(diào)節(jié)器ASR、ACR飽和輸出電壓Uim*=8V，Ucm=6.5V。系統(tǒng)的靜、動態(tài)指標(biāo)為：穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍D=10，電流超調(diào)量i5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)n10%。試求：（1） 確定電流反饋系數(shù)（假設(shè)起動電流限制在1.1IN以內(nèi)）和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；（2） 試設(shè)計電流調(diào)節(jié)器ACR，計算其參數(shù)Ri、Ci、Coi。畫出其電路 圖，調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R0=40k；（3） 設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，計算其參數(shù)Rn、Cn、Con。（R0=40k）（4） 計算電動機(jī)帶40%額定負(fù)載起動到最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n。要求完成的主要

3、任務(wù): （1）用MATLAB建立電流環(huán)仿真模型；（2）分析電流環(huán)無超調(diào)、臨界超調(diào)、超調(diào)較大仿真曲線；（3）用MATLAB建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型；（4）分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線；（5）電流超調(diào)量i5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真1 設(shè)計的初始條件及任務(wù)1.1概述本次仿真設(shè)計需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近

4、實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。1.2初始條件一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。基本數(shù)據(jù)如下：直流電動機(jī)參數(shù)為：額定功率PN=60kW，額定電壓UN=220V,額定電流IN=308A；額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min,電動勢系數(shù)Ce=0.196V·min/r，允許過載倍數(shù)=1.1；觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=35；主回路總電阻R=0.18；電磁時間常數(shù)Tl=0.012s；機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.12s；電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.0025s；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.0

5、15s。額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓Un*=10V，調(diào)節(jié)器ASR、ACR飽和輸出電壓Uim*=8V，Ucm=6.5V。系統(tǒng)的靜、動態(tài)指標(biāo)為：穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍D=10，電流超調(diào)量i5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)n10%。試求：（1） 確定電流反饋系數(shù)（假設(shè)起動電流限制在1.1IN以內(nèi)）和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；（2） 試設(shè)計電流調(diào)節(jié)器ACR，計算其參數(shù)Ri、Ci、Coi。畫出其電路 圖，調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R0=40k；（3） 設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，計算其參數(shù)Rn、Cn、Con。（R0=40k）（4） 計算電動機(jī)帶40%額定負(fù)載起動到最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n。1.3要完成的任務(wù)（1）用MATLAB建立電流

6、環(huán)仿真模型；（2）分析電流環(huán)無超調(diào)、臨界超調(diào)、超調(diào)較大仿真曲線；（3）用MATLAB建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型；（4）分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線；（5）電流超調(diào)量i5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較

7、高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用

8、最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該

9、量基本不變1，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)

10、速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI1調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度1，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性1；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。MTGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-TG 環(huán)ni外環(huán)內(nèi)環(huán)圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（

11、1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當(dāng)偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）對負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2)電流調(diào)節(jié)器的作用（1）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。（2）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。（3）起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護(hù)作用。當(dāng)故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。3電流環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真：計算：電流反饋系數(shù) =Uim*Idm=81.1×308=0.0236V/A 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) =Unm*nmax=0.01Vmin/r3.1

12、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計確定時間常數(shù)，平均失控時間Ts=0.00333s電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間近似處理 根據(jù)設(shè)計要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可將電流環(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。設(shè)傳遞函數(shù)的形式為：Wopi（s）=Ki（is+1）is KsRTls+1Tis+1Wopi(s)=KIs（Tis+1）式中KI=KiKsiR=KiKsTlR計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)因為TlTi 電流調(diào)節(jié)器的超前時間參數(shù)：i=Tl 電流開環(huán)增益 ：要求時，應(yīng)該取,因此： 根據(jù)運算放大器的原理可知： Ki=RiR0 Ri=KiR0=0.224×40×103=8.96k 取9 K i

13、=RiCi Ci=iRi=0.0129×103=1.33×10-6F=1.33F Toi=14R0Coi Coi=4ToiR0=4×0.×103=0.25×103F=0.25F校驗等效條件： Wci=KI=85.763S-1（1） 電力電子裝置傳遞函數(shù)的近似條件：13Ts=13×0.00333=100.1>Wci 滿足近似條件（2） 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：31TmTl=3×10.12×0.012=79.06S-1<Wci 滿足條件（3） 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：131Ts

14、Toi=13×10.00333×0.0025=115.52S-1>Wci滿足條件按典型I型系統(tǒng)設(shè)計的電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Wclis=11KIs+1根據(jù)上述的設(shè)計參數(shù)，電流環(huán)可達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，符合設(shè)計要求。3.2電流環(huán)仿真模型設(shè)計圖3-1 電流環(huán)仿真模型3.3電流環(huán)調(diào)節(jié)器分KT=0.3時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：KT=0.5時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：圖3-2 電流環(huán)臨界超調(diào)輸出波形KT=1.0時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的P

15、I調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：總結(jié)：當(dāng)KT=0.5時，各項動態(tài)參數(shù)較合理。4轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真4.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)。取KITi=0.5，則： 設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，起傳遞函數(shù)為：計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為：進(jìn)而可求得，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：可求得ASR的比例系數(shù)為：校驗近似等效條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為： Wcn=KNW1=KNn=168.82×0.1333=22.5S-1（1） 電流環(huán)近似條件：13KITi=13×85.7630.00583=40.43S-1

16、>Wcn（2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件：13KITon=13×85.7630.015=25.2S-1>Wcn可見滿足近似等效條件。校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量（空載Z=0）n=CmaxCbnbn*=2CmaxCb-znNn*TnTm n=2×81.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.12=11.23%>10%轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校驗結(jié)果表明，上述設(shè)計不符合要求。因此需重新設(shè)計：查表，應(yīng)取小一些的h，故選h=3進(jìn)行設(shè)計。按h=3，速度調(diào)節(jié)器參數(shù)確定如下：n=hTn=3×0.02666=0.07998

17、 sKN=h+12h2Tn2=3+12×32×0.=312.656S-1Kn=n+1CeTm2hRTn=3+1×0.0236×0.196×0.122×3×0.01×0.18×0.02666=7.6校驗近似等效條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：Wcn=KNW1=KNn=312.656×0.07998=25S-1（1） 電流環(huán)近似條件：13KITi=13×85.7630.00583=40.43S-1>Wcn（2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件：13KITon=13×85.7630.015

18、=25.2S-1>Wcn可見滿足近似等效條件。校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量：n=CmaxCbnbn*=2CmaxCb-znNn*TnTmn=2×72.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.12=9.97%<10%校驗結(jié)果表明，上述設(shè)計符合要求。速度調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)：R0=40kRn=KnR0=7.6×40×103=304kCn=nRn=0.×103=0.258×10-6F=0.258FCon=4TonR0=4×0.×103=1.5F電動機(jī)帶40%額定負(fù)載起動到最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n。n=CmaxCbnbn*=2CmaxCb-znNn*TnTmn=2×72.2%×1.1-0.4×308×0.180.196×100×0.12=63.5%4.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型設(shè)計圖4-1 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型4.3轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真1）PI調(diào)節(jié)器按照計算出來的結(jié)果：?？蛰d起動時波形為：圖4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動輸出波形2）滿載運行時起動的波形：圖4-3 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動輸出波形3）抗干擾性的測