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。
TG
n
ASR
ACR
U*n
+
-
Un
Ui
U*i
+
-
Uc
TA
V
M
+
-
Ud
Id
UPE
L
-

M
TG

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：β=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σi≤5%，转速无静差，空载起动到额定转速时转速超调量σn≤10%。
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σi≤5%，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=8.11<10，故校正成经典 I 型系统，显然应采取PI型电流调整器，其传输函数能够写成 
WACRs=Kiτis+1τis
式中Ki— 电流调整器百分比系数； 
τi— 电流调整器超前时间常数。 
（3）计算电流调整器参数
电流调整器超前时间常数：τi=Tl=0.03s。 
电流环开环增益：要求σi≤5%时，取KITi=0.5，所以
KI=0.5Ti≈135.1s-1
于是，ACR百分比系数为
Ki=KIτiRKsβ≈1.013
（4）校验近似条件   
电流环截止频率ωci=KI≈135.1s-1
 1）校验晶闸管装置传输函数近似条件是否满足：因为1/3Ts≈196.1s-1>ωci，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/TmTl≈40.82s-1<ωci，所以满足近似条件； 
 3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：(1/3)1/TmTl≈180.8s-1>ωci，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 τi=16.89;
当KT=1.0时，可得Ki=2.027 τi=67.567
6.2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=Knτns+1τns
式中Kn— 电流调整器百分比系数； 
τn— 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  
τn=hTn=0.087s，
转速开环增益为 
KN=h+12h2Tn2≈396.4s-2
所以转速调整器百分比系数为
Kn=(h+1)βTmCe2hαRTn≈11.7
（4）校验近似条件   
转速环截止频率ωcn=KNτn≈34.5s-1
1）校验电流环传输函数简化条件是否满足：因为(1/3)KI/Ti≈63.7s-1>ωcn,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/Ton≈38.7s-1>ωcn，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
σn=(∆Cmax/Cb)×2(λ-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
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图7.2 转速环仿真模型
8、仿真结果分析
当取Ki=1.013，τi=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，τi=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，τi=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，τn=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，τn=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，τn=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。