双闭环调速系统设计及恒负载扰动转速环 突然断线matlab仿真

双闭环调速系统设计及恒负载扰动转速环matlab仿真1 设计任务与分析要求：不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相半波整流电路，基本数据：直流电动机：U nom=220V，I nom=308A，n nom=1000r/min，C e=0.196V·min/r；允许过载倍数λ=1.5,；时间常数：T L=0.012s T m=0.12s；晶闸管放大倍数：K s=35,主回路总电阻：R=0.18Ω；额定转速时的给定电压U n*=10V，调节器ASR，ACR饱和输出电压U im*=8V, U cm=6.5V 设计要求稳态指标：稳态无静差，D=10σi5%，空载启动到额定转速时的转速超调量动态指标：电流超调量≤σn15%。

≤转速、电流双闭环调速系统是性能很好，应用最广的调速系统，采用转速、电流双闭环调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

转速、电流双闭环调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用]2[。

本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。

要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计]4[。

2 双闭环调速系统的设计2.1 双闭环调速系统总体设计为了同时改善系统的稳态与动态性能，提出了转速调节器ASR与电流调节器ACR串级联接的双闭环调速系统，分别调节转速和电流。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路]3[。

转速调节器ASR的输出限幅电压*U决定了电流给定im电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压U限制了电力电子变换器的最cm大输出电压U。

dm其原理图如图1-1所示：图1-1 双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相半波整流、电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响]1[。

如图1-2所示，为双闭环调速系统的动态结构框图，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入再用电流调节器的输出去控制其他的。

图1-2 双闭环调速系统动态结构图框图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。

这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准]5[。

然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用T表示，根据和电流环on一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为T的给定滤波环节。

on系统设计的一般原则是：先内环后外环。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

2.2 电流环的设计含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-4所示]1[：图1-3 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器其中*i U 为电流给定电压，d I β-为电流负反馈电压，c U 为电力电子变换器的控制电压。

根据运算放大器的电路原理，可以容易得出R R o iK i = （2-1）C R iii=τ （2-2）C R Toio oi41=（2-3） 2.2.1 电流调节器参数选择1) 确定时将常数（1） 整流装置滞后时间常数T S ：三相半波整流电路的平均失控时间TS=0.0033s 。

（2） 电流滤波时间常数T oi ：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（1-2）T oi =6.67ms ，因此取T oi =2.5ms=0.0025s 。

（3） 电流环小时间常数之和Ti∑：按小时间常数近似处理，取T i∑=T S+Toi=0.0058s2) 选择电流调节器结构 根据设计要求≤σi5%，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Siiis ACR K w ττ)1()(+=（2-4）3) 计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数τi =T L=0.012s 。

=βU im */1.5I nom =0.017V/A 电流开环增益：要求≤σi5%时，应取K I Ti∑=0.5，因此KI=Ti∑5.0=0058.05.0=86.2s 1-于是，ACR 的比例系数为βτK K K Si Ii R ==017.0*3518.0*012.0*2.86=0.313电流调节器的限幅值为：KI CUSdm ectRn +==3518.0*308*5.11000*196.0+=7.9762.2.2 校验近似条件电流环截止频率：ωci =K I=86.2s 1- （1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件T s31=0033.0*31=100s 1->ωci满足近似条件(2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件TT lm13=3*012.0*12.01=79.05s 1-<ωci满足近似条件(3) 电流环小时间常数近似处理条件TT ois131=31*0025.0*0033.01=116.05s 1->ωci满足近似条件2.2.3计算电流调节器电阻和电容取R o =40Ωk ，各电阻和电容值为R i=K iR o=0.313*40Ωk =12.52Ωk ，取12ΩkC i =Rii τ=12000012.0=1μF ，取1μF C oi =RT oi4=400000025.0*4=0.25μF ，取0.25μF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能之便为=σi4.3%<5%，满足设计要求2.3 速度环的设计含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如图3-5所示]1[：图1-4 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器其中*n U 为转速给定电压，n α-为转速负反馈电压，*i U ：调节器的输出是电流调节器的给定电压。

与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻，电容值的关系为R R on Kn= （2-5）C R nnn=τ （2-6）C R T ono on 41=（2-7）2.3.1 转速调节器参数选择1) 确定时间常数（1） 电流环等效时间常数1/K I ：1/K I =2T i ∑=2*0.0058=0.0116s（2） 转速滤波时间常数T on ：根据所用测速发电机纹波情况，取T on =0.01s (3) 转速环小时间常数之和T n ∑：按小时间常数近似处理，取Tn∑=1/K I +T on =0.0216s2） 选择转速调节器结构按照设计要求，算用PI 调节器，其传递函数为Sn nns ASR K wττ)1()(+=（2-8）3） 计算转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为τn=h T n ∑=5*0.0216=0.108snnomnU *=α=0.01V ·min/r转速开环增益2221nNT h h K∑+==0216.0*0216.0*25*26=257.2s 2-于是，可求得ASR 的比例系数为T T C K nme n R h h ∑+=αβ2)1(=0216.0*18.0*01.0*5*212.0*196.0*017.0*6=6.172.3.2 检验近似条件转速环截止频率为ωcn=ω1K N =K N τn=257.2*0.108=27.78s 1- （1） 电流环传递函数简化条件为TK iI∑31=0058.02.8631=40.64s 1->ωcn满足近似条件（2） 转速环小时间常数近似处理条件为TK onI31=01.02.8631=30.95s 1->ωcn满足近似条件2.3.3计算转速调节器电阻和电容取R o =40Ωk ，各电阻和电容值为R n=K nR o=6.17*40Ωk =246.8Ωk ，取250ΩkC n =Rnn τ=250000108.0=0.432μF ，取0.5μFC on =RT on4=4000001.0*4=1μF ，取1μF 2.3.4超调量相关计算1）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，由于表是按线性系统分析的，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。

2）退饱和超调量的计算当h=5时，由表查得CC bmax∆=81.2%,n N ∆=CI enomRσn=2（CC bmax∆）（z -λ）TT n n mnN ∑∆*=2*81.2%*1.5*12.00216.01000196.018.0*308=12.41<15%满足设计要求3 系统仿真3.1 无ACR 限幅值时的恒负载扰动转速环突然断线仿真根据所求参数，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图3-1为无ACR 限幅值时的直流调速系统（I d =const ）稳定运行时转速环突然断线的仿真框图。

图3-1 直流双闭环调速系统恒负载扰动转速环突然断线MATLAB 仿真框图（无ACR 限幅值）通过仿真可知道，起动转速，起动电流，直流电压U d ，ASR,ACR 输出电压波形，如图3-2,3-3为仿真波形图。

图3-2 起动电流，起动转速波形图（无ACR限幅值）3-3 ASR,ACR输出电压，直流电压U d波形图（无ACR限幅值）3.2 有ACR限幅值时的恒负载扰动转速环突然断线仿真调速系统的仿真框图如图3-4为有ACR限幅值时的恒负载扰动转速环突然断线的双闭环调速系统的仿真框图图3-4直流双闭环调速系统恒负载扰动转速环突然断线MATLAB仿真框图（有ACR限幅值）它的起动电流，起动转速和直流电压U d，ASR,ACR输出电压的波形图，如图3-5和3-6所示图3-5 起动电流，起动转速波形图（有ACR限幅值）3-6 ASR,ACR输出电压，直流电压U d波形图（有ACR限幅值）3.3仿真结果分析仿真原理图中，开关作用是用来模拟突然转速环断线的，它作用的开始时间为5秒，即系统运行5秒时脉冲电源会给开关一个信号，从而开关开始动作，使开关断开。

由于该系统是恒负载扰动，所以我们给了一个恒信号充当恒负载扰动，所给的是I=308A。