双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

TG
n
ASR
ACR
U *n +
- U n U i
U
*
i
+
-
U c
TA
V
M
+
-
U d
I d
UP
L
-
M T 双闭环直流调速系统的设计与仿真
1、实验目的
1．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理。

2．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。

3．掌握调节器的工程设计及仿真方法。

2、实验内容
1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析
3、实验要求
用电机参数建立相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。

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压U ct 作为触发器的移相控制电压，改变U ct 的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

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节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接，如图 4.1。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流的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。

为了获得良好的静、动态特性，转速和电流两个调节器采用PI 调节器。

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 ，C e =0.192V • min/r ，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：K s =40
电枢回路总电阻：R=0.5
时间常数：T l =0.00167s, T m =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的转速超调量σn ≤10%。

6、调节器的工程设计 6.1电流调节器ACR 的设计
（1）确定电流环时间常数
1）装置滞后时间常数T s =0.0017s ； 2）电流滤波时间常数T oi =0.002s ；
3）电流环小时间常数之和T ∑i =T s +T oi =0.0037s ； （2）选择电流调节结构
根据设计要求σi ≤5%，并且保证稳态电流无差，电流环的控制对象是双惯性型的，且T l /T ∑i =0.03/0.0037=8.11<10，故校正成典型 I 型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成
W ACR (s )=K i
τi s +1
τi s
式中K i — 电流调节器的比例系数； τi — 电流调节器的超前时间常数。

（3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：τi =T l =0.03s 。

电流环开环增益：要求σi ≤5%时，取K I T ∑i =0.5，因此
K I =0.5T ∑i
≈135.1s −1
于是，ACR 的比例系数为
K i =K I τi R K s β
≈1.013
（4）校验近似条件
电流环截止频率ωci =K I ≈135.1s −1
1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为1/3T s ≈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的近似条件是否满足：3√1/T m T l ≈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/T m T l ≈180.8s −1>ωci ，所以满足近似条件。

按照上述参数，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K i =0.5067 τi =16.89;
当KT =1.0时，可得K i =2.027 τi =67.567
6.2转速调节器ASR 的设计
（1）确定转速环时间常数
1）电流环等效时间常数为2T ∑i =0.0074s ；
2）电流滤波时间常数T on 根据所用测速发电机纹波情况，取T on =0.01s ； 3）转速环小时间常数T ∑n =2T ∑i +T on ； （2）转速调节器的结构选择
由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环，转速调节器选用比例积分调节器（PI），其传递函数为
W ASR(s)=K n τn s+1τn s
式中K n—电流调节器的比例系数；
τn—电流调节器的超前时间常数。

（3）选择转速调节器参数
按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为
τn=ℎT∑n=0.087s，
转速开环增益为
K N=
ℎ+1
2ℎ2T∑n2
≈396.4s−2
所以转速调节器的比例系数为
K n=(ℎ+1)βT m C e
2ℎαRT∑n
≈11.7
（4）校验近似条件
转速环截止频率ωcn=K Nτn≈34.5s−1
1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于(1/3)√K I/T∑i≈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：由于(1/3)√K I/T on≈38.7s−1>ωcn，所以满足近似条件。

3）核算转速超调量
当h=5时，∆C max/C b=81.2%，而∆n N=I N R/C e=515.2rpm，因此
σn=(∆C max/C b)×2(λ−z)(∆n N T∑n)/(n∗T m)=8.31%<10%
能满足设计要求。

7、仿真模型的建立
利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台，建立仿真模型。

如图7.1为电流环的仿真模型，图7.2为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。

图7.1 电流环的仿真模型
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图7.2 转速环的仿真模型
8、仿真结果分析
当取K i=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K i=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 无超调的仿真结果
当K i=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 超调量较大的仿真结果
当K n=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K n=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K n=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，但迅速恢复稳定。

图8.6 转速环的抗扰波形图
通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。

为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。

经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，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上的SIMULINK仿真平台对直流调速系统进行理论设计与调试，使得系统的性能分析过程简单且直观。

通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。

该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。