三闭环直流调速系统的设计、建模与仿真资料.doc
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三
闭
环
直
流
调
速
统
的
建
模
与
仿
真
三闭环直流调速系统的设计
一、三闭环直流调速系统总体设计方案
三闭环直流调速主电路由双闭环直流调速系统改进而得。
当采用双闭环直流调速系统时,在电流上升阶段,电流急剧上升,变化率很大,会在直流电动机中产生严重后果,如产生很高的附加电动势及机械传动机构产生强烈的冲击。
为解决这一矛盾,在电流环内设置一个电流变化率环,构成转速、电流、电流变化率的三环系统。
转速调节器ASR设置输出限幅,以限制最大启动电流。
根据系统运行的需要,当给定电压后,ASR输出饱和,电机以最大的允许电流起动,同时由于电流变化率ADR环的作用,使电流上升斜率有一定限制,当达到给定的速度后转速超调,ASR退饱和,电机电枢电流缓慢下降。
这样,经三个调节器的调节作用,使系统很快达到稳定。
在带电流变化率内环的三环调速系统中,ASR的输出仍是ACR的给定信号,并用其限幅值限制最大电流;ACR的输出不是直接控制触发电路,而是作为电流变化率调节器ADR的给定输入,ADR的负反馈信号由电流检测通过微分环节LD得到,ACR的输出限幅值则限制最大的电流变化率。
最后,由第三个调节器ADR的输出限幅值决定触发脉冲的最小控制角。
带电流变化率内环的三环调速系统原理图
二、电流变化率环的设计
电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压(即外环调节器的输出量)变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中,保证获得电机允许的最大电流,从而加快动态过程。
电流变化率环的闭环传递函数为
式中,=;
为ADR的积分时间常数;
为ADR时间常数调整器的分压比;
电流微分时间常数;
电流微分滤波时间常数。
在该设计中电流变化率调节器ADR选用PI调节器,取电流微分滤波时间常数为0.002S;电路中PI调节器的电阻R取为1K,调节器的电容取为47uF,ADR时间常数调整器的分压比取0.5,得到积分调节器为;仿真后发现效果不好,就添加了比例调节器,放大系数取1,得到ADR的PI调节器的传递函数为;一般取电流微分时间常数为0.01,电流检测反馈为0.05,所以;
+
_
(a)
S
二、电流调节器的设计
1.确定时间常数
(1)滞后时间常数=0.0017s
(2)
(3)=0.18s
(4)电流环小时间常数。
由题目条件可知。
故按小时间常数近似处理,取=0.0037s。
2.选择电流调节器的结构
根据电流超调量的要求,电流环按照典型系统设计,电流调节器采用PI调节器,其传递函数为:
式中——电流调节器的比例系数;——电流调节器的超前时间常数
3.选择电流调节器参数
ACR超前时间常数:
电流反馈系数:
=0.05V/A
电流环开环增益:
要求时,查表得,因此
带入以上数据有:
=1.01
4.校验近似条件
转速环截止频率为
(1)晶闸管装置传递函数近似条件:
而=,即满足近似条件
(2)忽略反电动势对对电流环影响的条件:
而 ==40.8<,即满足近似条件
(3)小时间常数近似处理条件:
而,即满足近似条件
三、转速环的设计如下
1.确定时间常数
已知,由电流环设计可知,
故转速环小时间常数
2.选择转速调节器的结构
由于设计要求无静差,转速调节器必须含有积分环节;又根据动态要求,应按典型II型系统设计转速环。
故ASR选用PI调节器,其传递函数为:
式中Kn——转速调节器的比例系数;
——转速调节器的超前时间常数。
3.选择转速调节器的参数
按题目要求并参照课本相关表格,取h=5,则ASR的超前时间常数为
转速环开环增益
已知:
于是ASR的比例系数为:
4.校验近似条件
转速环截止频率为
(1)电流环传递函数简化条件:
满足近似条件
(2)转速环小时间常数近似条件:
满足近似条件
四、Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析
1.Simulink简介
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB®紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.双闭环直流调速系统simulink建模与仿真结果
在仿真工程中,首先根据典型型或型系统的方法计算调节器的参数,然后利用MATLAB的SIMULINK软件进行仿真,灵活修改参数,直至得到满意的结果.
三闭环直流调速系统仿真结果图如下:
双闭环直流调速系统仿真图:
三闭环调速系统加入扰动后的仿真图
3.结论
从仿真结果图中可以看出,在电机的启动阶段,电流调节器作用下的电机电枢电流接近最大值,使得电机以最优时间准则开始上升。
由图可知,在电流的上升和下降阶段,三闭环系统的过渡时间要比双闭环的过渡时间长,这是因为当电流变化率过大时,由于电流调节器ADR的作用,电流上升和下降速度变缓的原因。
除了在电流的上升和下降阶段,电流变化率环起作用外,其它的启动过程和双闭环相同。
这既保持了双闭环的优点,又克服了双闭环在启动过程中电流变化率过大的缺点。
五、总结
通过这次课程设计,我基本掌握了三闭环直流调速系统的设计。
经过近两周的设计,通过查阅资料,基本上掌握了三闭环调速系统的组成原理,掌握了电流变化率内环的设计方法。
在整个仿真过程中遇到了许多问题,比如先做双闭环调速系统的仿真时,得到的仿真图形不正确,经过检查发现电流环的PI调节器的比例系数设置不正确,经过修改后得到可合理的仿真图。
再者,做三闭环的仿真时,得到了结果图,不正确,出现了震荡,经过对电流变化率环ADR参数的反复修改,计算最后得到了比较合理的仿真图。
虽然在这次课程设计中我遇到了很多的困难,但是经过自己的努力,问题得到了解决,而且也学到很多的知识,加深了对课本上理论的理解程度,将自己的所学能运用到实践,锻炼了自己独立解决问题的能力。
在此,也由衷感谢老师对自己的指导,这才能顺利的完成课程设计。
六、参考文献
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清华大学出版社,2002
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