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1、双闭环调速系统调节器设计及matlab 仿真验证1 设计内容及要求1.1 设计内容不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式整流电路，系统的基本数据如下：直流电动机：U = 750 V ， I = 760 A， n = 375 r; min，nomnomnomC = 1.82 V min.：r，允许过载倍数九=1.5 ；时间常数：T = 0.031 s，T = 0.112 s ；晶闸管放大倍数： e L mK = 75 ;主回路总电阻：R = 0.14 Q ;额定转速时的给定电压U * = 10 V，调节器ASR、ACR饱和sn输出回路电压U * = 10 V，U = 10
2、V。im cm1.2 设计要求(1) 控制电路的设计，包括系统参数的选取、电流环的设计，速度环的设计。(2) 稳态要求：稳态无静差。(3) 动态要求：电流超调量b 5%，空载启动到额定转速时的转速超调量b 10%。in(4) 用 matlab 对双闭环系统仿真，绘制调速系统稳定运转时转速环突然断线仿真框图。(5) 撰写设计说明书。2 双闭环直流调速系统的工作原理双闭环(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用都能有效的加以抑制。采用转
3、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。 2.1 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1 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 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
4、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。双闭环 直流调速系统的动态结构图如图 2 所示，虚线框内为电流内环。Ta图1转速、电流双闭环直流调速系统图 2 双闭环直流调速系统的动态结构图转遞和电流双闭环直流调速系嫌原理图U*a = nnNU*|3 =tmIdmI = XIdmNa 转速反馈系数，B 电流反馈系数。由已知条件代入一下公式:2-1)2-2)2-3)得到：a = 0.0267 ， B = 0.00882.2 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
5、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，系统能够自动恢复正常。3 直流双闭环调速系统电路设计3.1 电流调节器设计图 3 电流环动态结构图电流环动态结构图如图 3 所示。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流 环的影响。在一般情况下，转速的变化往往比电流变化慢的多。对
6、电流环来说，在电流的 瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不 考虑反电动势变化的动态影响。（1）确定时间常数1）查表可得，三相桥式电路的平均失控时间T = 0.0017 s。s2）三相半波整流电路每个波头的时间是3.3 ms，为了基本滤平波头，应有 （1 2） T = 3.33 ms ,，因此取 T = 0.002 s。oi oi3) T = T + T = 0.0037 soi根据设计要求(2)选择电流调节器结构g T，所以选择t =L用调节器零点消去控制对象中大的时间常数点，以2i便矫正成典型 I 型系统，因此opi(s)t s (T s + 1)s
7、 (T s + 1)i2 i2 i(2-6)(3) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：T = T = 0.031 s。iL电流开环增益：要求g w满足近似条件满足近似条件2）检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：3 = 3 xs -1 50.913 s -1 w满足近似条件30.0017 x 0.002“s oi(5)计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图4所示，所用运放取r = 40 KO :0R = KR = 0.444 x 40 K Q. = 17.76 K Q.(2-8)ii 0(2-9)T 0.031C =十=1.75 uFi R 17760iC4T 4x 0.002
8、未=R 40000 0= 0.2 uF(2-10)oi图 4 含给定滤波和反馈滤波的 PI 型电流调节器3.2 转速调节器设计图 5 用等效环节代替电流环W (s)=ASRK (T s + 1)n nTsn图6校正为典型II型系统W (s)=ASRK (t s + 1)n nTs(2-12)把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图 6 所示。 由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应 共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性 能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：(
9、2-11)(1)确定时间常数1)电流环等效时间常数为1/K，设计电流调节器时已取K T = 0.25II工i所以1-4 T - 4 x 0.0037 - 0.0148 sK工iI2)转速滤波时间常数T 取T = 0.01 sonon3)转速环小时间常数T 。按小时间常数近似处理，取T =丄+ T = 0.0248 s工n工n KonI(2) 选择转速调节器结构：按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为：则校正后的典型II型系统为:2-13)K (t s + 1 )N ns 2(T s + 1)S n(3)计算转速调节器参数：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
10、数为T转速开环增益为h + 1= 195.11 s - 22h 2T 2ASR 的比例系数为(h + 1) P CeTm = 11.61= 0.124 s 。Zn(2-14)(2-15)(4)检验近似条件：转速环截止频率2 ha RTZnw = N = K t = 24.19 s -1Nn1)电流环传递函数简化条件为KZ i厂=45.045 s-1 w3 Tcn满足简化条件。2)转速环小时间常数近似处理条件为1onK= 27.4 s -1 w T3cn满足简化条件。(5)计算调节器电阻和电容取 R = 40 K 0，则0R = 266.4 K 0 取 270 K Q 0T= nnRn0.1F
11、- 0.38 uF266400取 0.4 uFC = onon R4 x 0.01=1uF40000取 1uF2-16)2-17)2-18)含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器如图 7 所示图7含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器4 仿真与调试由上面电路设计计算出来的参数，用MATLAB画出方框图，仿真方框图如图8所示。图 8 双闭环直流调速系统仿真图仿真要求空载启动到额定转速，并且In，在变负载扰动下。所以在转速环引一根d反馈，K取760)375。ASR、ACR限幅均为iov。系统稳定运行时，转速环突然断线。用阶跃与转速环相乘， Step time 设置成 2， Initial va
12、lue 设置为 1， Final value 设置成 0。空载启动，2 秒后转速环断线。运行仿真模型，得到仿真波形图,如图 9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、 图 16 所示。图 9 有 ACR 限幅电流、转速波形图由波形图可以算出，电流超调量b = 4.7% 5%，转速超调量b 10% ，符合动态指in标，稳态无静差。图 10 无 ACR 限幅电流、转速波形图ACR有限幅时，一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再 影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输入 和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用， 使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。图11有ACR限幅直流电压U波形图d图12无ACR限幅直流电压U波形图d图 13 有 ACR 限幅 ASR 输出电压波形图图 14 无 ACR 限幅 ASR 输出电压波形图图 15 有 ACR 限幅 ACR 输出电压波形1614120620.5
