1、双闭环不可逆直流调速系统课程设计matlab仿真设计 摘要许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的
2、动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长
3、的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。目录1 双闭环直流调速系统的工作原理 111双闭环直流调速系统的介绍 112双闭环直流调速系统的组成 213双闭环直流调速系统的稳态结构和静特性 214双
4、闭环直流调速系统的数学模型 315双闭环直流调速系统两个调节器的作用 32 双闭环直流调速系统启动过程分析 421双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 422双闭环直流调速系统的起动过程 423双闭环直流调速系统的动态抗扰性能 5 23. 1双闭环直流调速系统的抗负载扰动 5 23. 2双闭环直流调速系统的抗电网电压扰动 53 双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算 631主电路参数的选择与确定 6 31. 1 直流电机的基本参数 6 31. 2 设计指标 632.参数的选取和计算 6 32. 1 模块参数设置 6 32. 2 电流调节器的设计 7 32. 3 转速调节器的设计 74 M
5、ATLAB/SIMULINK仿真软件 741仿真软件介绍 742 仿真软件操作过程 842. 1 建立自控系统的数学模型 842. 2建立自控系统的仿真模型 842. 3 编制自控系统仿真程序 85 仿真设计 96. 仿真结果分析 1161 电机转速曲线 116. 2 电流电流曲线 127 设计结论 12总结与体会 13参考文献 141 双闭环直流调速系统的工作原理11 双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作
6、用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在
7、电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1 调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大
8、值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。12 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流
9、器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2 转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 T
10、A电流互感器 UPE电力电子变换器13 双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。图3实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。14 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统
11、动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4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4：15 双闭环直流调速系统两个调节器的作用1） 转速调节器的作用使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2)电流调节器的作用在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自
12、动恢复正常。2 双闭环直流调速系统启动过程分析2.1 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 突加给定电压U*n时，双闭环直流调速系统在带有负载IdL 条件下起动过程的电流波形和转速波形。2.2 双闭环直流调速系统的起动过程 在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和（ I ）、饱和（ II ）、退饱和（ III ）三个阶段。 第I阶段 电流上升的阶段 （0 -t1） 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不
13、饱和。直到Id = Idm ， Ui = U*im 。特点：ASR由不饱和进入饱和状态，转速增加较慢、电流快速上升到Idm。第 II 阶段 恒流升速阶段 （t1 -t2） ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到n =n* 。电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，
14、Id 应略低于 Idm。特点：ASR处于饱和状态转速环开环；电流无静差系统；转速线性上升；Id略小于Idm 第 阶段转速调节阶段（ t2 以后） ASR和ACR都不饱和，ASR起主导作用，ACR力图使 Id 尽快地跟随 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。当n =n*时，ASR输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使nn*。 ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t =
15、 t3时）。此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间内（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到稳定Id = IdL ， n =n* 。如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。特点：ASR不饱和，起主要调节作用；ACR起跟随作用；转速有超调。起动过程的三个特点：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制)23 双闭环直流调速系统的动态抗扰性能23. 1双闭环直流调速系统的抗负载扰动 扰动作用位置：电流环之外抗扰作用调节器：转速调节器ASR，对ASR的设计要求：应要求有较好的抗扰性能指标。23. 2双闭环直流调速系统的抗电网电压扰动 扰动作用位置：
16、电流环内的前向通道，抗扰作用的调节器：电流调节器ACR，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。3 双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算31主电路参数的选择与确定311直流电机的基本参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：额定电压:Un=220V 额定电流:In=136A额定转速 :Nn=1460r/min (4极)电枢电阻：Ra=0.21 GD2=22.5N*m2励磁电压：Uf=220V励磁电流：If=1.5A电动机电势系数 :Ce=0.132V*min/r
17、采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec=1.3，电抗器：Lp=200mH312设计指标：动态指标：1电流超调量%5%2.空载起动到额定转速时的转速超调量：%10% 3.允许过载倍数:=1.5 4.中频宽h=532 参数的选取和计算取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s；转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s；取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定Un*=10V。321参数设置供电电源电压为：U2=（Unom+Rrec*In）/2.34cosmin =（220+0.21*136）/2.34*cos30 V=123V电机参数设置：励磁电阻为：Rf=U
18、f/If=220/1.5=146.7,(说明：励磁电阻在恒定磁场中可取零)电枢电阻Ra=0.21，电枢电感由下式估计： La=19.1*C*Unom/2*p*Nn*In =19.1*0.4*220/2*2*1460*136 =0.00021H电枢绕组和励磁绕组互感Laf为： 因为：Ce=0.132V*min/r Ke=60*Ce/2* =60*0.132/6.28 =1.26 所以： Laf=Ke/If =1.26/1.5 =0.84H 额定负载转矩为：Tl=9.55Ce/Inom =9.55*0.132*17.5 =22N*m 322电流调节器的设计电流反馈系数：=Uim/*Inom =10
19、/1.5*136 =0.05电动机转矩时间常数：Tm = GD2*R/375*Ce*Cm =3.53*2.85/375*9.55*0.132 =0.161s电动机电磁时间常数：Ti =L/R =(200+16)*0.001/2.85 =0.076s三相晶闸管整流电路平均失控时间：Ts=0.0017s根据电流超调量i5的要求，电流环按典型型系统设计，点楼调节器选用PI调节器，其传递函数为：Wacr（s）=Ki*(1+S)/S 其中：=Ti=0.076sKi=*R/2*T*Ks =0.076*2.85/2*0.0037*0.272*37.84 =2.84Kli=/Ki =0.076/2.84 =0
20、.0268323转速调节器的设计转速反馈系数：=Unom/Nnom =10/1500 =0.00667V*min/r为加快转速的调节速度，转速环按典型型系统设计，并选中频带宽度h=5，转速调节器的传递函数：Wasr（s）=Kn*(1+S)/S 其中 =h*T=h*(2*Ti+Ton) =5*92*0.0037+0.01) =0.087sKn=(h+1)*Ce*Tm/2*h*R*T=6*0.272*0.132*0.161/2*5*0.00667*2.85*0.0174=10.49Kin=/Kn=0.087/10.84 =0.0083 4 MATLAB/SIMULINK仿真软件4.1仿真软件介绍利
21、用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。MATLAB下的SIMULINK软件具有强大的功能，而且在不断地得到发展，随着它的版本的更新，各个版本的模块浏览器的表示形式略有不同，但本书所采用的都是基本仿真模块，可以在有关的组中找到，在进一步地学习和应用SIMULINK软件的其它模块后，会为工程设计带来便捷和精确。在工程设
22、计时，首先根据典型I型系统或典型型系统的方法计算调节器参数，然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。也可用MATLAB仿真软件包的设计工具箱设计其它各种控制规律的调节器，鉴于篇幅不一一展开。电子计算机的出现和发展是现代科学技术的巨大成就之一。它对科学计术的几乎一切领域，特别对数值计算，数据处理，统计分析，人工智能以及自动控制等方面产生了极其深远的影响。熟练掌握利用计算机进行科学研究和工程应用的技术，已经成为广大科研设技人员必须具备的基本能力之一。大部分从事科学研究和工程应用的读者朋友可能都已经注意到并为之所困扰的是，当我们的计算涉及矩阵运算
23、或画图时，利用FORTRAN和C语言等计算机语言进行程序设计是一项很麻烦的工作。Matlab正是为了免除无数类似上述的尴尬局面而产生的。在1980年前后，美国的Cleve博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。4.2 仿真软件操作过程4.2.1建立自控系统的数学模型系统的数学模型，是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的
24、数学表达式。描述系统诸变量间静态关系的数学表达式，称为静态模型；描述自控系统诸变量间动态关系的数学表达式，称为动态模型。常用最基本的数学模型是微分方程与差分方程，根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、化学基本定律，例如牛顿定律、克希霍夫定律、运动动力学定律、焦耳楞次定律等来列写出变量间的数学模型。这是解析法建立数学模型。对于很多复杂的系统，则必须通过实验方法并利用系统辨识技术，考虑计算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能准确地反映系统的动态本质，又能简化分析计算的工作。这是实验法建立数学模型。控制系统的数学模型是系统仿真的主要依据。4.2.2建立自控系统的仿真模型原始的自控系统
25、的数学模型比如微分方程，并不能用来直接对系统进行仿真。还得将其转换为能够对系统进行仿真的模型。对于连续控制系统而言，有像微分方程这样的原始数学模型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得自控系统传递函数数学模型。以传递函数模型为基础，等效变换为状态空间模型，或者将其图形化为动态结构图模型，这些模型都是自控系统的仿真模型。对于离散控制系统而言，有像差分方程这样的原始数学模型以及类似连续系统的各种模型，这些模型都可以对离散系统直接进行仿真。4.2.3编制自控系统仿真程序对于非实时系统的仿真，可以用一般的高级语言，例如Basic、Fortran或C等语言编制仿真程序。对于快速的实时系统的仿真，往往用汇
26、编语言编制仿真程序。当然也可以直接利用仿真语言。如果应用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成环境作仿真工具，这就是MATLAB仿真。控制系统的MATLAB仿真是控制系统计算机仿真一个特殊软件工具的子集。第四步，进行仿真实验并输出仿真结果进行仿真实验，通过实验对仿真模型与仿真程序进行检验和修改，而后按照系统仿真的要求输出仿真结果。5 仿真设计可根据老师的要求设置参数，书上有列题，设计后的数学模型结构图如下：由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在
27、阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。根据例题修改的gain gain1 step step1 仿真后波形6 仿真结果分析图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。61 电机转速曲线在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。
28、当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又
29、恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。62 电机电流曲线直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋
30、于稳定。7 设计结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真波形所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时
31、，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。8 总结与体会通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的工艺，进行对象的分析，设计总体方案，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，确定最终方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。在设计完成后进行仿真，我们利用MATLAB仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件、参数间不相匹配和有错的地方，反复修改，直到符合设计要求。本次设计的时间比较仓促，但我在*
