转速电流双闭环直流调速系统设计.docx
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转速电流双闭环直流调速系统设计
运动控制课程设计
评语:
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过程(40)
设计报告(30)
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总成绩(100)
专业:
自动化
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姓名:
学号:
指导教师:
2015年07月16日
转速、电流双闭环直流调速系统设计
1.设计目的
一般来说,我们总希望在最大电流受限制的情况下,尽量发挥直流电动机的过载能力,使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动,达到稳态转速后,电流应快速下降,保证输出转矩与负载转矩平衡,进入稳定运行状态。
为实现在约束条件快速起动,关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。
根据反馈控制规律,要控制某个量,只要引入这个量的负反馈。
因此采用电流负反馈控制过程,起动过程中,电动机转速快速上升,而要保持电流恒定,只需电流负反馈;稳定运行过程中,要求转矩保持平衡,需使转速保持恒定,应以转速负反馈为主。
故采用转速、电流双闭环控制系统。
2.设计任务
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:
(1)直流电动机:
220V、160A、1460r/min、Ce=r,允许过载倍数λ=;
(2)晶闸管装置放大系数:
Ks=40;
(3)电枢回路总电阻:
R=Ω;
(4)时间常数:
Tl=,Tm=;
(5)电流反馈系数:
β=A;
(6)转速反馈系数:
α=r;
试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果。
3.设计要求
根据电力拖动自动控制理论,按工程设计方法设计双闭环调速系统:
(1)设计电流调节器的结构和参数,将电流环校正成典型I型系统;
(2)分析电流环不同参数下的仿真曲线;
(3)在简化电流环的条件下,设计速度调节器的结构和参数,将速度环校正成典型II型系统;
(4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线
(5)进行Simulink仿真,验证设计的有效性。
4.设计内容
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。
按照电机理想运行特性,应该在启动过程中只有电流负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速反馈,双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时,转速负反馈起主要作用,当电流达到最大值时,电流负反馈起主要作用,得到电流的自动保护。
图1为双闭环调速系统的动态结构框图。
图1双闭环调速系统的动态结构框图
设计思路
设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环,从电流环(内环)开始,对其进行必要的变换和近似处理,然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统,再按照控制对象确定电流调节器的类型,按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。
电流环设计完成后,把电流环等效成转速环(外环)中的一个环节,再用同样的方法设计转速环。
电流环的设计
时间参数的确定
(1)电枢回路电磁时间常数:
Tl=
=;
(2)电力拖动系统机电时间常数:
(3)整流滤波时间常数:
三相桥式电路的平均失控时间:
Ts=
(4)电流滤波时间常数:
三相桥式电路每个波头的时间是,为了基本滤平波头,应有(1~2)Toi=,因此取Toi=2ms=
(5)电流环小时间常数之和:
按小时间常数近似处理,取 T∑i=Ts+Toi=
典型系统的选择
从稳态要求上看,希望电流无静差,以得到理想的堵转特性,采用 I 型系统就够了。
从动态要求上看,实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素,为此,电流环应以跟随性能为主,应选用典型I型系统。
电流环的控制对象是双惯性型的,要校正成典型 I 型系统,显然应采用PI型的电流调节器,其传递函数可以写成
计算电流调节器的参数
(1)ACR超前时间常数:
(2)电流环开环增益:
在本设计中,要求
时,应取
,因此,
于是,ACR的比例系数为:
校验近似条件
电流环截止频率:
(1)校验晶闸管整流装置传递函数近似条件为:
,满足近似条件。
(2)忽略反电动势变化对电流环影响的条件为:
,满足近似条件。
(3)校验电流环小时间常数近似处理条件为:
,满足近似条件。
计算调节器电阻和电容
由运算放大器的电路原理可以得出,当调节器输入电阻
时,电流调节器的具体电路参数如下:
;
;
转速环的设计
时间参数的确定
(1)电流环等效时间常数:
(2)转速滤波时间常数:
(3)转速环小时间常数:
按小时间常数近似处理,取
典型系统的选择
为了实现转速无静差,在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节,它应该包含在转速调节器 ASR 中,现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节,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
计算转速调节器的参数
按跟随和抗干扰性能较好的原则,取h=5,则
(1)ASR的超前时间常数为:
(2)转速环开环增益:
于是,ASR的比例系数:
检验近似条件
由转速截止频率:
(1)电流环传递函数简化条件:
,满足简化条件。
(2)转速环小时间常数近似条件:
,满足近似条件。
计算调节器电阻和电容
由运算放大器的电路原理可以得出,当调节器输入电阻
时,电流调节器的具体电路参数如下:
;
;
校核转速超调量
由
可得:
当h=5时,
;
因
,能满足设计要求。
5.电流环的仿真
电流环的整体仿真模型
电流环的整体仿真模型见附录A图2所示。
电流环在不同参数时的仿真图形
(1)KT=时,ACR中的PI调节器的传递函数为:
按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图4所示。
其超调量σ=0%,即无超调量。
(2)KT=时,ACR中的PI调节器的传递函数为:
按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图5所示。
其超调量 满足σ≦% 。
(3)KT=1时,ACR中的PI调节器的传递函数为:
按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图6所示。
其超调量 满足σ≦% ,超调大,但是上升时间短。
观察图4、5和图6的仿真曲线,在直流电动机的恒流升速阶段,电流值低于200A,期原因是电流系统受到电动机反电动势的扰动,它是一个线性渐增的扰动量,所以系统做不到无静差,而是略低于最大电流。
6.转速环的仿真
转速环的整体仿真模型
图1转速空载高速启动波形图
图2转速满负载启动波形图
图3转速环抗扰波形图
转速环在不同负载时的仿真图形
(1)空载起动时,阶跃信号Step1的Final value输入设为0,转速环空载高速起动波形图见附录B图7所示。
(2)满载起动时,阶跃信号Step1的Final value设为136,转速环满载高速起动波形图见附录B图8所示。
(3)抗干扰性的测试,将阶跃信号Step1的Step time 设置为1,将Initial value设置为0,将Final value设置为100(或其他1到136均可做干扰),其他设置不变,转速环抗扰波形图见附录B图9所示。
7.心得体会
这次课程设计中,在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方,尤其是simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。
本次课程设计让我们对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解,对此设计加深了认识。
通过matlab的仿真,使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。
通过对系统的设计,让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。
同时也可以通过课程设计,了解理论知识哪些方面比较薄弱,及时查漏补缺。
附录
附录A
图4转速环的整体仿真模型
图5电流环整体仿真模型
附录B
图6KT=时无超调的仿真结果
图7KT=时电流环的仿真结果
图8KT=时超调量较大的仿真结果
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- 转速 电流 闭环 直流 调速 系统 设计