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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录双闭环调速系统设计及变负载扰动电流环突然断线matlab仿真1 课题分析1.1初始条件不可逆的生产设备，采用双闭环直流调速系统，其整流装置采用三相半波整流电路，系统的基本数据如下：直流电机：Unom=220V,Inom=308A,nnom=1000r/m,Ce=0.196Vmin/r,允许过载倍数=1.5；时间常数：TL=0.012S ，Tm=0.12；晶闸管装置放大倍数：Ks=35 主电路总电阻：R=0.18；额定转速时的给定电压Un*=10V，调节器ASR、ACR饱和输出电压Uim*=8V，Ucm=6.5V。设计要求稳态指标：稳态无静差，D=10。动态指标：
2、电流超调量i5%，空载启动到额定转速时的转速超调量n15%。1.2 设计任务本次设计的主要任务是合理的选择调节器的结构和参数，使系统的性能指标满足生产工艺的要求，稳态参数的计算是调速系统设计的第一步，他决定了控制系统的基本组成，然后在通过动态设计使系统性能满足要求。经过分析可以将本次设计分解为以下几个部分，参数的选取和计算，电流调节器的设计，转速调节器的设计、simulink仿真和结果分析。2 系统设计 双闭环直流调速系统的稳态结构图如图2-1所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U im*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了
3、电力电子变换器的最大输出电压Udm，图2-1中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器突出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。图 2-1 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图如图2-2所示，图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。图2-2双闭环直流调速系统的动态结构图2.1 电流调节器
4、的设计图2-2所示点画线框内是电流环的动态结构图，既如图2-3所示。图2-3 电流环动态结构图2.1.1 确定时间常数整流装置采用三相半波整流电路，其平均失控时间Ts=0.0033s；三相半波电路每个波头的时间是6.67ms，为了基本滤平波头，应有取Toi=2.5ms，电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0058s。2.1.2 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.012s。电流环系数=Uim*1.5Inom=81.5*308=0.017。电流环开环增益：要求ici 满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件31TmTl=310.120.012s-179.
5、06ci 满足近似条件2.1.4计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图2-2所示，按所用运算放大器取各电阻和电容值计算如下： Ri=KiRo=0.31340=12.52k，取12kCi=iRi=0.01212.52k=0.96F，取1F Coi=4ToiRo=40.k=0.25 F，取0.25 F图2-4 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.2 转速调节器的设计用电流环的等效环节代替图2-1中的电流环后，整个转速控制的系统那个动态结构图如图2-5所示。图2-5 转速环结构图2.2.1 确定时间常数电流环等效时间常数1KI:取KITi=0.5，则1KI=2Ti=0.0116s转速反馈系数
6、 =Unm*nmax=0.01Vmin/r转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取Tn=1KI+Ton=0.0116+0.01=0.0216s2.2.2 计算转速调节器参数转速调节器选用PI调节器，其传递函数为WASR（S）=Kn（ns+1）ns （2-2）按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为n=hTn=50.0216s=0.108sKN=h+12h2Tn2257.20s-2可求得ASR的比例系数为Kn=（h+1）CeTm2hRTn=60.0170.1960.12250.010.180.
7、02166.172.2.3 校验近似条件转速环截止频率：cn=KN1=KNn27.78s-1电流环传递函数简化条件13KITi=86.210.0058=40.64cn 满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件13KITon=1386.210.01s-130.95s-1cn 满足近似条件2.2.4 计算调节器电阻与电容转速调节器原理图如图3所示，取则Rn=KnRo=6.1740=246.8，取250k Cn=nRn=0.8=0.44F，取0.5F Con=4TonRo=40.0140=1 F，取1F图2-6含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.2.5 校核转速超调量当h=5时，查表得，n =
8、37.6%，不能满足设计要求，实际上，由于表按线性系统分析的，突然加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时z=0,根据已知数据和求的的数据有：=1.5，R=0.18.Idn=308A,nN=1000r/min，Ce=0.196V min/r，Tm=0.12s，Tn=0.0216s。当h=5时，查表可得CmaxCb=81.2%，带入式（2-3） n=2CmaxCb-znNn*TnTm （2-3）n=20.8121.53080.180.0.02160.12n12.41%15%满足设计要求。3 Simulink仿真3.1 Simulin
9、k仿真模型的建立根据前面的电流环设计和转速环的设计和课题中的要求，设计好仿真框图，带入数据进行仿真。仿真框图如图3-1所示。图3-1 双闭环直流调速系统仿真框图3.2仿真结果与分析3.2.1 起动转速、起动电流仿真波形 按设计要求，空载启动，经过电流上升阶段，电流迅速上升，很快达到最大电流，ASR进入饱和状态。因为是变负载扰动，所以恒流升速的电流时上升的，而此时转速不断的增大，所以转速反馈同样增大，ASR慢慢地变得不饱和。转速调节阶段，转速超调后，ASR退饱和，电流很快下降，因为是带负载启动所以，电流降至额定电流308A，转速稳定在设计的1000r/min。2秒后电流环断线，电流环失去电流反馈
10、环节，Ui电流很快增加，Id增加，n增加，转速环反馈增大，Un减小，Ui减小，Id减小，n减小，转速环反馈减小，Un增大。如此 循环，所以产生这样的震荡。转速和电流的波形图如图3-2所示。图3-2 转速电流波形图根据图形计算系统的电流超调量和转速超调量：电流超调i=450-=4.89%。转速超调n=1032-=3.2%。3.2.2 直流电压Ud波形直流电压Ud的波形如图3-3所示。图3-3 直流电压Ud波形图3.2.3 ASR输出电压波形ASR输出电压波形如图3-4所示。开始的时候ASR饱和，等电动机开始转动的时候，开始有转速反馈，并且转速上升，转速反馈上升，ASR输入减小，输出也慢慢减小，经
11、过转速调节阶段输出稳定下来，2S后电流环断线，ASR输出经过变化后在0附近震荡。图3-4 ASR输出电压波形图3.2.4 ACR输出电压波形ACR输出波形如图3-5所示。图3-5 ACR输出电压波形图心得体会这次运动控制系统设计，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本系统结构的设计与仿真。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了双闭环调速系统的原理以及simulink的仿真设计。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。单纯的上课学习到的东西，在脑海里形成的印象也不是很深刻，
12、而且对电路的工作原理也不是特别的了解，但是经过了这个课程设计，通过作图，仿真，我对双闭环调速系统的原理有了进一步的认识，发现了新的问题。在这次课程设计的过程中遇到了很多问题，可以说得是困难重重，在进行Simulink仿真时，对很多元器件和步骤设计一点都不了解，翻阅图书，上网查找资料花费了我很多的时间和精力。同时在设计的过程中发现了自己的许多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，所以在做课设的过程之中老是需要翻教材，这严重影响了我完成课设的进度。通过运动控制系统的课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，对matlab软件有了更进一步的熟悉。这次课程设计，让我收获了很多，对以后的工作学习有了更大的信心。参考文献1 陈伯时.运动控制系统(第4版). 北京：机械工业出版社，20092 杨耕. 电机与运动控制系统. 北京：清华大学出版社，20063 王兆安. 电力电子技术（第4版）. 北京：机械工业出版社，20004 郑阿奇. MATLAB实用教程. 北京：电子工业出版社，20045 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真. 北京：中国电力出版社，2004专心-专注-专业