双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告.docx

双闭环直流调速系统设计和仿真1、试验目标1熟悉晶闸管直流调速系统组成及其基础原理。2掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈步骤测定方法。3掌握调整器工程设计及仿真方法。2、试验内容1调整器工程设计2仿真模型建立3系统仿真分析3、试验要求用电机参数建立对应仿真模型进行仿真4、双闭环直流调速系统组成及工作原理晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机发电机组等组成。本试验中，整流装置主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Uct作为触发器移相控制电压，改变Uct大小即可改变控制角，从而取得可调直流电压和转速，以满足试验要求。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调整器，分别调整转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实施嵌套联接，图4.1。把转速调整器输出看成电流调整器输入，再用电流输出去控制电力电子变换器UPE。在结构上，电流环作为内环，转速环作为外环，形成了转速、电流双闭环调速系统。为了取得良好静、动态特征，转速和电流两个调整器采取PI调整器。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG图4.1 转速、电流双闭环调速系统 5、电机参数及设计要求5.1电机参数直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.192V min/r，许可过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：Ks=40电枢回路总电阻：R=0.5 时间常数：Tl=0.00167s, Tm=0.075s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：=0.007 V min/r 5.2设计要求要求电流超调量i5%，转速无静差，空载起动到额定转速时转速超调量n10%。6、调整器工程设计 6.1电流调整器ACR设计（1）确定电流环时间常数1）装置滞后时间常数Ts=0.0017s；2）电流滤波时间常数Toi=0.002s；3）电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0037s；（2）选择电流调整结构依据设计要求i5%，而且确保稳态电流无差，电流环控制对象是双惯性型，且Tl/Ti=0.03/0.0037=8.11ci，所以满足近似条件；2）校验忽略反电动势对电流环影响近似条件是否满足：31/TmTl40.82s-1ci，所以满足近似条件。根据上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。同理，当KT=0.25时，可得Ki=0.5067 i=16.89;当KT=1.0时，可得Ki=2.027 i=67.5676.2转速调整器ASR设计（1）确定转速环时间常数1）电流环等效时间常数为2Ti=0.0074s；2）电流滤波时间常数Ton依据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s；3）转速环小时间常数Tn=2Ti+Ton；（2）转速调整器结构选择因为设计要求转速无静差，转速调整器必需含有积分步骤；又依据动态设计要求，应按经典型系统设计转速环，转速调整器选择百分比积分调整器（PI），其传输函数为WASRs=Knns+1ns式中Kn电流调整器百分比系数； n电流调整器超前时间常数。（3）选择转速调整器参数根据跟随和抗扰性能全部很好标准取h=5，则转速调整器超前时间常数为n=hTn=0.087s，转速开环增益为KN=h+12h2Tn2396.4s-2所以转速调整器百分比系数为Kn=(h+1)TmCe2hRTn11.7（4）校验近似条件转速环截止频率cn=KNn34.5s-11）校验电流环传输函数简化条件是否满足：因为(1/3)KI/Ti63.7s-1cn,所以满足简化条件；2）校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件：因为(1/3)KI/Ton38.7s-1cn，所以满足近似条件。3）核实转速超调量当h=5时，Cmax/Cb=81.2%，而nN=INR/Ce=515.2rpm，所以n=(Cmax/Cb)2(-z)(nNTn)/(n*Tm)=8.31%10%能满足设计要求。7、仿真模型建立利用MATLAB上SIMULINK仿真平台，建立仿真模型。图7.1为电流环仿真模型，图7.2为加了转速环以后双闭环控制系统仿真模型。图7.1 电流环仿真模型_图7.2 转速环仿真模型8、仿真结果分析当取Ki=1.013，i=33.77时，电流环阶跃响应快，超调量小。图8.1 电流环仿真结果当Ki=0.5067，i=16.89时，电流环阶跃响应无超调，但上升时间长。图8.2 无超调仿真结果当Ki=2.027，i=67.567时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。图8.3 超调量较大仿真结果当Kn=11.7，n=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为0，“final value”值为10，代表空载状态，此时系统起动速度快，退饱和超调量较大。图8.4 转速环空载高速起动波形图当Kn=11.7，n=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为0，“final value”值为136，代表满载状态，此时系统起动时间延长，退饱和超调量减小。图8.5 转速环满载高速起动波形图当Kn=11.7，n=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为1，“final value”值为10，加入扰动瞬间系统曲线有波动，但快速恢复稳定。图8.6 转速环抗扰波形图经过以上仿真分析，和理想电动机起动特征相比，仿真结果和理论设计含有差距。为何会出现上述情况，从理论设计过程中不难看出，因为在“经典系统最好设计法”时，将部分非线性步骤简化为线性步骤来处理，如滞后步骤近似为一阶惯性，调整器限幅输出特征近似为线性步骤等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调整器参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标。9、心得体会利用MATLAB上SIMULINK仿真平台对直流调速系统进行理论设计和调试，使得系统性能分析过程简单且直观。经过对系统进行仿真，能够正确地了解到理论设计和实际系统之间偏差，逐步改善系统结构及参数，得到最优调整器参数，使得系统调试得到简化，缩短了产品开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统设计和调试中得到广泛应用。