双闭环调速系统设计及变负载扰动电流环突然断线matlab仿真

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

目 录

1 课题分析 ................................................................................................................................... 1

1.1初始条件 ........................................................................................................................ 1 1.2 设计任务 ..................................................................................................................... 1 2 系统设计 ................................................................................................................................... 1

2.1 电流调节器的设计 ..................................................................................................... 3

2.1.1 确定时间常数 .................................................................................................. 3 2.1.2 计算电流调节器参数..................................................................................... 3 2.1.3 ACR校验近似条件 ......................................................................................... 4 2.1.4计算调节器电阻和电容 ................................................................................. 4 2.2 转速调节器的设计 ..................................................................................................... 5

2.2.1 确定时间常数 .................................................................................................. 5 2.2.2 计算转速调节器参数..................................................................................... 5 2.2.3 校验近似条件 .................................................................................................. 6 2.2.4 计算调节器电阻与电容 ................................................................................ 6 2.2.5 校核转速超调量 ............................................................................................. 6

3 Simulink仿真 ........................................................................................................................... 7

3.1 Simulink仿真模型的建立 ........................................................................................ 7 3.2仿真结果与分析........................................................................................................... 8

3.2.1 起动转速、起动电流仿真波形 ................................................................... 8 3.2.2 直流电压Ud波形 ............................................................................................. 9 3.2.3 ASR输出电压波形.......................................................................................... 9 3.2.4 ACR输出电压波形 .......................................................................................10

心得体会 .....................................................................................................................................10 参考文献 ..................................................................................................................................... 11

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双闭环调速系统设计及变负载扰动电

流环突然断线matlab仿真

1 课题分析

1.1初始条件

不可逆的生产设备，采用双闭环直流调速系统，其整流装置采用三相半波整流电路，系统的基本数据如下：

直流电机：Unom=220V,Inom=308A,nnom=1000r/m,Ce=0.196Vmin/r,允许过载倍数λ=1.5；时间常数：TL=0.012S ，Tm=0.12；晶闸管装置放大倍数：Ks=35 主电路总电阻：R=0.18Ω；额定转速时的给定电压Un*=10V，调节器ASR、ACR饱和输出电压Uim*=8V，Ucm=6.5V。

设计要求

稳态指标：稳态无静差，D=10。

动态指标：电流超调量δi≤5%，空载启动到额定转速时的转速超调量δn≤15%。

1.2 设计任务

本次设计的主要任务是合理的选择调节器的结构和参数，使系统的性能指标满足生产工艺的要求，稳态参数的计算是调速系统设计的第一步，他决定了控制系统的基本组成，然后在通过动态设计使系统性能满足要求。经过分析可以将本次设计分解为以下几个部分，参数的选取和计算，电流调节器的设计，转速调节器的设计、simulink仿真和结果分析。

2 系统设计

双闭环直流调速系统的稳态结构图如图2-1所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U ?im决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，

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图2-1中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器突出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压△U在稳态时为零。

图 2-1 双闭环直流调速系统的稳态结构图

双闭环直流调速系统的动态结构图如图2-2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2-2双闭环直流调速系统的动态结构图

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2.1 电流调节器的设计

图2-2所示点画线框内是电流环的动态结构图，既如图2-3所示。

图2-3 电流环动态结构图

2.1.1 确定时间常数

整流装置采用三相半波整流电路，其平均失控时间Ts=0.0033s；三相半波电路每个波头的时间是6.67ms，为了基本滤平波头，应有取Toi=2.5ms，电流环小时间常数之和T∑i=Ts+Toi=0.0058s。

2.1.2 计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：τi=Tl=0.012s。 电流环系数β=1.5I

?Uimnom

=

81.5?308

=0.017。

电流环开环增益：要求σi<5%时，并保证电流无静差，可按典型1型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：

WACR（S）=查表得应取KIT∑i=0.5，因此

KI=

0.50.5?1

=s≈86.21s?1 T∑i0.0058

Ki（τis+1）

τis

（2-1）

于是，ACR的比例系数为

Ki≈

KIτiR86.21×0.012×0.18

≈≈0.313 KSβ35×0.017

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2.1.3 ACR校验近似条件

电流环截止频率：ωci=KI=86.21s?1 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件

13TS

=3×??.????????s?1≈101.01s?1>ωci 满足近似条件

1

校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3 T

1

mTl

=3× 0.12×??.??????s?1≈79.06<ωci 满足近似条件

1

校验电流环小时间常数近似处理条件

1

3T

1

sToi

=3× 0.0033×??.????????s?1≈116.05>ωci 满足近似条件

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2.1.4计算调节器电阻和电容

电流调节器原理图如图2-2所示，按所用运算放大器取R0?40k?,各电阻和电容值计算如下：

Ri=KiRo=0.313×40κΩ=12.52kΩ，取12kΩ

Ci=Ri=

i

τ0.01212.52kΩ

=0.96μF，取1μF

Coi=

4ToiRo

=

4×0.002540kΩ

=0.25 μF，取0.25 μF

图2-4 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器

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2.2 转速调节器的设计

用电流环的等效环节代替图2-1中的电流环后，整个转速控制的系统那个动态结构图如图2-5所示。

图2-5 转速环结构图

2.2.1 确定时间常数

电流环等效时间常数K:取KIT∑i=0.5，则K=2T∑i=0.0116s

I

I

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转速反馈系数 α=

U?nmnmax

=1000=0.01V·min/r

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转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。 转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取

T∑n

1=+Ton=0.0116+0.01=0.0216s KI

2.2.2 计算转速调节器参数

转速调节器选用PI调节器，其传递函数为

WASR（S）=

Kn（τns+1）

τns

（2-2）

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为

τn=hT∑n=5×0.0216s=0.108s

KN=

可求得ASR的比例系数为

Kn=

（h+1）βCeTm6×0.017×0.196×0.12

=≈6.17

2hαRT∑n2×5×0.01×0.18×0.02165

h+12h2T2∑n

≈257.20s?2

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2.2.3 校验近似条件

转速环截止频率：ωcn=

KNω1

=KNτn≈27.78s?1

电流环传递函数简化条件

1

I

= 0.0058=40.64>ωcn 满足简化条件 3T

∑i

K86.21

转速环小时间常数近似处理条件

1

I=3 3T

on

K1

86.21?1

s0.01

≈30.95s?1>ωcn 满足近似条件

2.2.4 计算调节器电阻与电容

转速调节器原理图如图3所示，取R0?40k?,则

Rn=KnRo=6.17×40κΩ=246.8κΩ，取250kΩ Cn=Rn=

n

τ0.108246.8κΩ

=0.44μF，取0.5μF

=1 μF，取1μF

Con=

4TonRo

=

4×0.0140κΩ

图2-6 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

2.2.5 校核转速超调量

当h=5时，查表得，σn =37.6%，不能满足设计要求，实际上，由于表按线性系统分析的，突然加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

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设理想空载起动时z=0,根据已知数据和求的的数据有：λ=1.5，R=0.18Ω.Idn=308A,nN=1000r/min，Ce=0.196V min/r，Tm=0.12s，T∑n=0.0216s。当h=5时，查表可得

ΔC

maxCb

=81.2%，带入式（2-3）

ΔCmaxCb

Δn

λ?z n?NT∑nTm

σn=2

（2-3）

308×0.18

0.196×0.0216 σn=2×0.812×1.5×

10000.12σn≈12.41%<15%

满足设计要求。

3 Simulink仿真

3.1 Simulink仿真模型的建立

根据前面的电流环设计和转速环的设计和课题中的要求，设计好仿真框图，带入数据进行仿真。仿真框图如图3-1所示。

图3-1 双闭环直流调速系统仿真框图

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3.2仿真结果与分析

3.2.1 起动转速、起动电流仿真波形

按设计要求，空载启动，经过电流上升阶段，电流迅速上升，很快达到最大电流，ASR进入饱和状态。因为是变负载扰动，所以恒流升速的电流时上升的，而此时转速不断的增大，所以转速反馈同样增大，ASR慢慢地变得不饱和。转速调节阶段，转速超调后，ASR退饱和，电流很快下降，因为是带负载启动所以，电流降至额定电流308A，转速稳定在设计的1000r/min。2秒后电流环断线，电流环失去电流反馈环节，?Ui电流很快增加，Id增加，n增加，转速环反馈增大，?Un减小，?Ui减小，Id减小，n减小，转速环反馈减小，?Un增大。如此 循环，所以产生这样的震荡。

转速和电流的波形图如图3-2所示。

120010008006004002000-20000.511.522.533.544.55

图3-2 转速电流波形图

根据图形计算系统的电流超调量和转速超调量： 电流超调δi=

转速超调δn=

1032?1000

1000450?429429

=4.89%。

=3.2%。

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3.2.2 直流电压Ud波形

直流电压Ud的波形如图3-3所示。

30025020015010050000.511.522.533.544.55

图3-3 直流电压Ud波形图

3.2.3 ASR输出电压波形

ASR输出电压波形如图3-4所示。开始的时候ASR饱和，等电动机开始转动的时候，开始有转速反馈，并且转速上升，转速反馈上升，ASR输入减小，输出也慢慢减小，经过转速调节阶段输出稳定下来，2S后电流环断线，ASR输出经过变化后在0附近震荡。

9876543210-100.511.522.533.544.55

图3-4 ASR输出电压波形图

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3.2.4 ACR输出电压波形

ACR输出波形如图3-5所示。

87654321000.511.522.533.544.55

图3-5 ACR输出电压波形图

心得体会

这次运动控制系统设计，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本系统结构的设计与仿真。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了双闭环调速系统的原理以及simulink的仿真设计。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。单纯的上课学习到的东西，在脑海里形成的印象也不是很深刻，而且对电路的工作原理也不是特别的了解，但是经过了这个课程设计，通过作图，仿真，我对双闭环调速系统的原理有了进一步的认识，发现了新的问题。在这次课程设计的过程中遇到了很多问题，可以说得是困难重重，在进行Simulink仿真时，对很多元器件和步骤设计一点都不了解，翻阅图书，上网查找资料花费了我很多的时间和精力。同时在设计的过程中发现了自己的许多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，所以在做课设的过程之中老是需要翻教材，这严重影响了我完成课设的进度。通过运动控制系统的课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大

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的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，对matlab软件有了更进一步的熟悉。这次课程设计，让我收获了很多，对以后的工作学习有了更大的信心。

参考文献

[1] 陈伯时.运动控制系统(第4版). 北京：机械工业出版社，2009 [2] 杨耕. 电机与运动控制系统. 北京：清华大学出版社，2006 [3] 王兆安. 电力电子技术（第4版）. 北京：机械工业出版社，2000 [4] 郑阿奇. MATLAB实用教程. 北京：电子工业出版社，2004

[5] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真. 北京：中国电力出版社，2004

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cbcf.html