双闭环直流调速系统设计及matlab仿真验证(
1 双闭环直流调速系统设计与 MATLAB 仿真验证班 级: 姓 名:学 号：指导教师：2 摘要：对双闭环直流调速系统的电流调节器和速度调节器用 PID 调节器进行设 计，该方法比以前常用的 PI 调节器大大地减小饱和超调，仿真结果表明，该方 法十分有效。 关键词：直流调速系统；调节器；超调；仿真 1双闭环直流调速系统 1.1 双闭环直流调速系统的介绍双闭环直流调速系统，是在单闭环直流调速系统的基础上发展起来的.转速 单闭环调速系统使用PI调节器，可以实现转速的无静差调速，采用电流截止负 载环节，限制了起(制)动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统， 基本上已能满足基本要求，但电流环只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负 反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止 负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图 1-1-(1)所示。当电 流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，起动(调整时间 )的时间 s t 就比较长。在实际工作中为了尽快缩短过渡时间，希望能够充分利用晶闸管元 件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，并且始终 允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后， 又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的 理想起动过程波形如图 1-1-(2)所示，这时，启动电流成方波形，而转速是 线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限制时调速系统所能获得到的最快的 起动过程。(1)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (2)时间最优的理想过渡过程 I dL n t I d O I dm I dL n t I d O I dm I dcr n n (1) (2)3 图1-1 调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件 下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 的恒流过程。按照反馈 dm I 控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流 负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是应该在启动过程中只有电流负反馈， 没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负 反馈发挥作用。1.2 双闭环调速系统的组成为了达到1.1节分析后的目的，系统采用转速、电流双闭环直流调速系统。 分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接， 如图1-2所示。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边， 称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静， 动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。 图1-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图图中 、 —转速给定电压和转速反馈电压； 、 —电流给定电压 * n U n U * i U i U 和电流反馈电压； ASR—转速调节器； ACR—电流调节器；TG—测速发电机； M TG * n U ASR ACR UPE + - + - n U * i U + - c U d U + - TA i U n I n d I4 TA—电流互感器；UPE—电力电子变换器。 本设计采用三相全控桥整流电路，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的 电源，改变控制角的大小可有效的调节转速，由于使用了闭环控制，并且内外 环均采用 PI 调节器，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。 1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 双闭环直流调速系统稳态结构如图1-3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 决定了电流给定的最大值， * im U 电流调节器ACR的输出限幅电压 限制了电力电子变换器的最大输出电压 cm U ，图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 dm U 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退 出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入与输出间的联系，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 输入偏差电压 在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望 U 电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱 和和不饱和两种情况。 双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这 dm I 时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到 时对应于转速调节器为饱和输 dm I 出 ，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的 * im U 自动保护作用。5 图1-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 —转速反馈系数 —电流反馈系数 * * 10 0.027 min/ 375 10 0.0088 / 1.5 760 nm N im dm U V r n U V A I A 1.4 双闭环直流调速系统的动态数学模型 图 1-4 双闭环直流调速系统的动态结构图其中 和 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为 ( ) ASR W s ( ) ACR W s 了引出电流反馈，在动态结构图中引出相应的电枢电流 ，而 表示转速反馈 d I 系数， 表示电流反馈系数。 * n U ( ) ASR W s * i U ( ) ACR W s i U 1 s s K T s 1/ 1 l R T s m R T s 1 e C c U 0 d U d I dL I E + + + - - - + n n U6 1.4.1起动过程分析图1-5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 从电流与转速变化过程所反映出的特点可以将起动过程分为电流上升、恒 流升速和转速调节三个阶段： 电流上升阶段：突加给定电压 后，经过两个调节器的跟随作用， 、 * n U c U 、 0 d U 均上升，但是在 没有达到负载电流 以前，电动机还不能转动。当 d I d I dL I 后，电动机开始起动，由于几点惯性的作用，转速不会很快增长，因而 d dL I I 转速 调节器ASR的 输入 偏差电压( * c n n U U U )的数值仍较 大， 其输出电压保 持限 幅值 ，强迫 * im U 电枢 电流 迅速上 d I 升直 到 ， d dm I I * i im U U ，电流调节很 快就压制了 的增长。该阶段结束，此阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态， d I 而ACR一般不饱和。 恒流升速阶段：此阶段中，ASR始终是饱和的，转速换相当于开环，系统7 成为在恒值电流给定下的电流调速系统，基本上保持电流很定，因而系统加速 度恒定，转速呈线性增长(见图1-5) 。 转速调节阶段：当转速上升到给定值是，转速调节器ASR的输入偏差为零， 但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。 转速超调后，ASR输入偏差为负，使它开始推出饱和状态，电动机开始在负载 的阻力下调速，
双闭环直流调速系统设计及matlab仿真验证(
1 双闭环直流调速系统设计与 MATLAB 仿真验证班 级: 姓 名:学 号：指导教师：2 摘要：对双闭环直流调速系统的电流调节器和速度调节器用 PID 调节器进行设 计，该方法比以前常用的 PI 调节器大大地减小饱和超调，仿真结果表明，该方 法十分有效。 关键词：直流调速系统；调节器；超调；仿真 1双闭环直流调速系统 1.1 双闭环直流调速系统的介绍双闭环直流调速系统，是在单闭环直流调速系统的基础上发展起来的.转速 单闭环调速系统使用PI调节器，可以实现转速的无静差调速，采用电流截止负 载环节，限制了起(制)动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统， 基本上已能满足基本要求，但电流环只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负 反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止 负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图 1-1-(1)所示。当电 流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，起动(调整时间 )的时间 s t 就比较长。在实际工作中为了尽快缩短过渡时间，希望能够充分利用晶闸管元 件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，并且始终 允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后， 又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的 理想起动过程波形如图 1-1-(2)所示，这时，启动电流成方波形，而转速是 线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限制时调速系统所能获得到的最快的 起动过程。(1)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (2)时间最优的理想过渡过程 I dL n t I d O I dm I dL n t I d O I dm I dcr n n (1) (2)3 图1-1 调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件 下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 的恒流过程。按照反馈 dm I 控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流 负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是应该在启动过程中只有电流负反馈， 没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负 反馈发挥作用。1.2 双闭环调速系统的组成为了达到1.1节分析后的目的，系统采用转速、电流双闭环直流调速系统。 分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接， 如图1-2所示。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边， 称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静， 动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。 图1-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图图中 、 —转速给定电压和转速反馈电压； 、 —电流给定电压 * n U n U * i U i U 和电流反馈电压； ASR—转速调节器； ACR—电流调节器；TG—测速发电机； M TG * n U ASR ACR UPE + - + - n U * i U + - c U d U + - TA i U n I n d I4 TA—电流互感器；UPE—电力电子变换器。 本设计采用三相全控桥整流电路，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的 电源，改变控制角的大小可有效的调节转速，由于使用了闭环控制，并且内外 环均采用 PI 调节器，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。 1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 双闭环直流调速系统稳态结构如图1-3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 决定了电流给定的最大值， * im U 电流调节器ACR的输出限幅电压 限制了电力电子变换器的最大输出电压 cm U ，图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 dm U 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退 出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入与输出间的联系，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 输入偏差电压 在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望 U 电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱 和和不饱和两种情况。 双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这 dm I 时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到 时对应于转速调节器为饱和输 dm I 出 ，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的 * im U 自动保护作用。5 图1-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 —转速反馈系数 —电流反馈系数 * * 10 0.027 min/ 375 10 0.0088 / 1.5 760 nm N im dm U V r n U V A I A 1.4 双闭环直流调速系统的动态数学模型 图 1-4 双闭环直流调速系统的动态结构图其中 和 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为 ( ) ASR W s ( ) ACR W s 了引出电流反馈，在动态结构图中引出相应的电枢电流 ，而 表示转速反馈 d I 系数， 表示电流反馈系数。 * n U ( ) ASR W s * i U ( ) ACR W s i U 1 s s K T s 1/ 1 l R T s m R T s 1 e C c U 0 d U d I dL I E + + + - - - + n n U6 1.4.1起动过程分析图1-5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 从电流与转速变化过程所反映出的特点可以将起动过程分为电流上升、恒 流升速和转速调节三个阶段： 电流上升阶段：突加给定电压 后，经过两个调节器的跟随作用， 、 * n U c U 、 0 d U 均上升，但是在 没有达到负载电流 以前，电动机还不能转动。当 d I d I dL I 后，电动机开始起动，由于几点惯性的作用，转速不会很快增长，因而 d dL I I 转速 调节器ASR的 输入 偏差电压( * c n n U U U )的数值仍较 大， 其输出电压保 持限 幅值 ，强迫 * im U 电枢 电流 迅速上 d I 升直 到 ， d dm I I * i im U U ，电流调节很 快就压制了 的增长。该阶段结束，此阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态， d I 而ACR一般不饱和。 恒流升速阶段：此阶段中，ASR始终是饱和的，转速换相当于开环，系统7 成为在恒值电流给定下的电流调速系统，基本上保持电流很定，因而系统加速 度恒定，转速呈线性增长(见图1-5) 。 转速调节阶段：当转速上升到给定值是，转速调节器ASR的输入偏差为零， 但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。 转速超调后，ASR输入偏差为负，使它开始推出饱和状态，电动机开始在负载 的阻力下调速，
举报
