转速-电流双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB-Simulink)

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双闭环直流调速控制系统MATLAB/Simulink建模与仿真

双闭环直流调速控制系统MATLAB/Simulink建模与仿真

双闭环直流调速控制系统MATLAB/Simulink建模与仿真文章针对传统PID直流电机调速系统转速超调量过高、调节时间不理想的问题,设计了一种双闭环直流电机调速控制系统。

建立了双闭环直流电机调速系统的数学模型,并对控制器参数进行了整定。

建立了系统Simulink模型并进行仿真,分析了系统在启动过程中的动态特性。

实验结果表明,相较于传统PID 直流电机调速控制系统,本双闭环直流调速控制系统可以消除超调量、有效缩短系统调节时间,具有更好的静态和动态性能。

标签:双闭环;直流调速;Simulink建模;仿真分析随着电机控制技术的不断发展,工业上对于电机的使用频率及动态性能的要求不断提高,直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一[1]。

传统PID直流调速控制系统存在超调量过高、调节时间缓慢等问题,导致系统的动态性能不理想,在一些对于工艺要求精准的情况下无法满足系统动态指标的要求。

如何解决控制系统中稳、快、准等各方面性能制约,以达到对于转速、电流控制指标的要求,始终是一个重要的讨论课题[2]。

文章针对上述问题,设计了一种双闭环直流调速控制系统,在传统PID直流调速系统的基础上,引入了电流调节器,以改善系统输出转速的动态性能,相对于传统PID调速系统,本系统有效降低了直流电机输出转速的超调量,明显提高了系统的静态和动态指标,具有更好的系统性能。

1 双闭环直流调速系统结构设计直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一,随着工业控制技术的不断发展,工程上对于直流电机调速系统的稳、准、快性能指标有了越来越苛刻的要求[3]。

双闭环控制系统是一种常用的复杂控制系统,是改善过程控制系统品质的一种有效方式,并在实际工程中得到了广泛应用[4]。

文章所设计双闭环调速系统结构如图1所示,从闭环结构上看,双闭环控制系统由两个负反馈闭环结构组成,电流调节器在里面(电流环);转速调节器在外边,(速度环)。

为了实现转速和电流两种负反馈分别作用,在系统中设置了两个调节器,电流调节器ACR(Current Regulator)和转速调节器ASR(Speed Regulator),两者之间实行串级连接,其中转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入,再用电流调节器ACR的输出去控制晶闸管装置。

转速电流双闭环直流调速系统 课程设计

转速电流双闭环直流调速系统  课程设计

课程设计任务书某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为:直流电动机:U N=220V,I N=205A,n N=575r/min , R a=0.1Ω,电枢电路总电阻R=0.2Ω,电枢电路总电感L=7.59mH,电流允许过载倍数λ=2,折算到电动机轴的飞轮惯量GD2=215Nm2。

晶闸管整流装置放大倍数K s=40,滞后时间常数T s=0.0017s电流反馈系数β=0.024V/A(≈10V/2I N)转速反馈系数α=0.017V min/r(≈10V/n N)滤波时间常数取T oi=0.001s,T on=0.01s。

U nm∗=U im∗=U cm=10V;调节器输入电阻R0=40kΩ。

设计要求:稳态指标:无静差;动态指标:电流超调量σi≤5%;空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。

目录课程设计任务书 (1)第一章直流双闭环调速系统原理 (3)1.1系统的组成 (3)1.2 系统的原理图 (4)第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计 (6)2.1 电流调节器的设计 (6)2.2 转速调节器的设计 (13)第三章系统仿真 (21)心得体会 (25)参考文献 (26)第一章直流双闭环调速系统原理1.1系统的组成转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是对系统的动态性能要求较高的系统,单闭环系统就难以满足需要了。

为了实现在允许条件下的最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值I dm的恒流过程。

按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

所以,我们希望达到的控制:启动过程只有电流负反馈,没有转速负反馈;达到稳态转速后只有转速负反馈,不让电流负反馈发挥作用。

故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。

转速电流双闭环直流调速系统-课程设计

转速电流双闭环直流调速系统-课程设计

:转速电流双闭环直流调速系统课程设计学生:xxx&学号:xxxxxxxx专业:电气工程及其自动化学院:信息工程与科学学院目录目录 (1){摘要 ........................................................ 错误!未定义书签。

第〇章任务书............................................. 错误!未定义书签。

(一)设计参数........................................... 错误!未定义书签。

(二)设计要求........................................... 错误!未定义书签。

第一章主电路设计......................................... 错误!未定义书签。

(一)系统组成....................................... 错误!未定义书签。

(二)主电路原理..................................... 错误!未定义书签。

(三)主电路元器件参数计算及器件选型................. 错误!未定义书签。

[整流元器件参数计算与选型............................. 错误!未定义书签。

其它元器件参数计算与选取............................. 错误!未定义书签。

第二章调节器设计......................................... 错误!未定义书签。

(一)电流调节器设计................................. 错误!未定义书签。

(二)转速调节器设计................................. 错误!未定义书签。

第三章触发器设计......................................... 错误!未定义书签。

利用Matlab仿真平台设计双闭环直流调速系统

利用Matlab仿真平台设计双闭环直流调速系统

1 设计任务及要求1、已知条件:某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下:直流电动机:220V 、136A 、1460r/min ,Ce=0.132 min/r , 允许过载倍数1.5 。

闸管放大系数:Ks=40 。

电枢回路电阻:R 0.5 。

o时间常数:T1=0.03s ,Tm=0.18s 。

电流反馈系数:0.05V/A( 10V/1.5I nom )转速反馈系数:0.007Vmin /r( 10V /n nom)2 、技术要求:稳态指标:无静差;动态指标:电流超调量i 5% ;空载起动到额定转速时的转速超调量n% 10% 。

3 、设计要求:①简述单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理。

②分析所设计系统的静态性能指标和动态性能指标。

③根据动态性能指标设计校正装置。

④设计出系统的Simulink 仿真模型,验证所设计系统的性能。

⑤给出所设计系统的性能指标:上升时间t r 、超调量p% 、调节时间t s 、最大启动电流Idmax 、稳态误差e ss 。

2 系统的基本结构和工作原理许多生产机械,由于加工和运行的要求,使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中,因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。

为缩短这一部分时间,仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统,其性能还不很令人满意。

双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节,可获得良好的静、动态性能(两个调节器均采用PI调节器),由于调整系统的主要参量为转速,故将转速环作为主环放在外面,电流环作为副环放在里面,这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。

双闭环直流调速系统较单闭环相比具有动态响应快、抗干扰能力强等优点,具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

具有单闭环不能比拟的优势。

双闭环调速系统的结构示意图如下图1:双闭环调速系统结构原理图如下图2 :渊电源输出*" ---3Hj图2 双闭环调速系统结构原理图触发电踣匸桥-功放rIF1 Io"电源H+II个柠3系统的静态性能和动态性能指标3.1系统的静态性能指标为了分析双闭环调速系统,必须先绘出它的稳态结构框图。

双闭环直流调速系统课程设计

双闭环直流调速系统课程设计

引言直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。

该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差,从而使系统达到调节电流和转速的目的。

该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

并通过Matlab进行系统的数学建模和系统仿真,分析双闭环直流调速系统的特性。

一.设计目的1.了解自动控制系统学科。

2.学习绘画双闭环直流调速系统的动态和稳态结构框图。

3.掌握双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析。

4.体会参数设计的过程及工程设计方法的基本思路。

5. 利用MATLAB仿真。

二.直流调速系统设计1.双闭环直流调速系统的组成为了使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,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流,二者实行嵌套连接,如图一所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看,电流环在里面称为内环,转速环在外面,称作外环。

这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图2.双闭环的稳态结构图和静特性图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值,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,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退出饱和;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在稳态时为零。

(完整word版)转速、电流双闭环直流调速系统设计

(完整word版)转速、电流双闭环直流调速系统设计

在转速闭环直流调速系统中,只有电流截止负反馈环节对电枢电流加以保护,缺少对电枢电流的精确控制,也就无法充分发挥直流伺服电动机的过载能力,因而也就达不到调速系统的快速起动和制动的效果.通过在转速闭环直流调速系统的基础上增加电流闭环,即按照快速起动和制动的要求,实现对电枢电流的精确控制,实质上是在起动或制动过程的主要阶段,实现一种以电动机最大电磁力矩输出能力进行启动或制动的过程。

一、设计要求设一个转速、电流双闭环直流调速系统,采用双极式H桥PWM方式驱动,已知电动机参数为:二、电流环、转速环设计仿真过程双闭环直流调速系统的设计及其他多环控制系统的设计原则一样:先设计内环(即电流环),在将内环看成外环的一个环节,进而设计外环(即转速环)。

1. 稳态参数计算电流反馈系数:*im 10= 1.25/24nom U V A I βλ==⨯转速反馈系数:*nm 10=0.02min/500nom U V r I αλ==2. 电流环设计1) 确定时间常数s 110.110T ms f kHz ===由电流滤波时间常数0.0002oi T s =,按电流环小时间常数环节的近似处理方法,取i 0.00010.00020.0003s oi T T T s =+=+=∑2) 选择电流调节器结构电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。

电流调节器选用PI 调节器,其传递函数为1(s)i ACR ii s G K sττ+= 3) 选择调节器参数超前时间常数: i 0.008l T s τ== 由于i 5%σ≤,故l 0.5i K T =∑故1l 0.50.51666.66670.0003i K s T -==≈∑电流调节器比例系数为:i 0.00881666.717.781.25 4.8i lS R K K K τβ⨯==⨯≈⨯ 4) 检验近似条件电流环的截止频率:11666.6667ci l w K s -==i.近似条件一:113333.3333330.0001ci s w T =≈>⨯(满足近似条件) ii.近似条件二:3ci w =(满足近似条件) iii.近似条件三:13ci =(满足近似条件)3. 转速环设计1) 确定时间常数电流环等效时间常数:20.0006i T s =∑小时间常数近似处理:0.00060.0010.0016on i T T s +=+=∑2) 选择转速调节器结构由于转速稳态无静差要求,转速调节器中必须包含积分环节,又根据动态要求,应按典型Ⅱ型系统校正转速环,因此转速调节器应选择PI 调节器,其传递函数为:1()n ASR nn s G s K sττ+= 3) 选择调节器参数按跟随型和抗扰性能均比较好的原则,取h=5,则转速调节器的超前时间常数为:50.00160.008n nhTs τ==⨯=∑转速环开环增益:22222151468752250.0016N n h K s h T -++==≈⨯⨯∑于是,转速调节器比例系数为:(1)6 1.250.040.558.592250.0280.0016e m n n h C T K h RT βα+⨯⨯⨯==≈⨯⨯⨯⨯∑4) 校验近似条件转速环开环截止频率:11468750.008375Ncn N n K K s ωτω-===⨯≈i. 近似条件一:15cn iT ω>∑11666.67550.0003cn i T ω=≈>⨯∑(满足近似条件) ii. 近似条件二:1132cn oni T T ω>∑1111430.333230.00060.001cn on i T T ω==>⨯∑(满足近似条件)三、 MATLAB 仿真1. 电流环仿真 1) 频域分析在matlab/simulink 中建立电流环动态结构图及校正成典型Ⅰ型系统的电流环开环动态结构图(如图1—1、1-2、所示),建模结果如下:2) 图1-1 经过小参数环节合并近似后的电流开环动态结构图3)图1-2 未经过小参数环节合并近似处理的电流开环动态结构图命令窗口分别输入以下命令分别得到Bode图%MATLAB PRGRAM L584。

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真设计

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真设计

《机电控制系统分析与设计》课程大作业之一基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真1 计算电流和转速反馈系数2 按工程设计法,详细写出电流环的动态校正过程和设计结果根据设计的一般原则“先环后外环”,从环开始,逐步向外扩展。

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。

电流调节器设计分为以下几个步骤:a 电流环结构图的简化1)忽略反电动势的动态影响在按动态性能设计电流环时,可以暂不考虑反电动势变化的动态影响,即D E≈0。

这时,电流环如下图所示。

2)等效成单位负反馈系统如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环,同时把给定信号改成U*i(s) /b,则电流环便等效成单位负反馈系统。

3) 小惯性环节近似处理由于T s 和 T 0i 一般都比T l 小得多,可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节,其时间常数为T ∑i = T s + T oi 简化的近似条件为电流环结构图最终简化成图。

b 电流调节器结构的选择 1) 典型系统的选择:从稳态要求上看,希望电流无静差,以得到理想的堵转特性,采用 I 型系统就够了。

从动态要求上看,实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素,为此,电流环应以跟随性能为主,应选用典型I 型系统 2) 电流调节器选择电流环的控制对象是双惯性型的,要校正成典型 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K i — 电流调节器的比例系数; t i — 电流调节器的超前时间常数 3) 校正后电流环的结构和特性为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消,选择则电流环的动态结构图便成为图a 所示的典型形式,其中ois ci 131T T ≤ωs s K s W i ii ACR )1()(ττ+=ms T l 8i ==τR K K K i si I τβ=a) 动态结构图:b) 开环对数幅频特性c. 电流调节器的参数计算电流调节器的参数有:K i 和 t i , 其中 t i 已选定,剩下的只有比例系数 K i , 可根据所需要的动态性能指标选取。

双闭环直流调速系统设计及matlab仿真验证(

双闭环直流调速系统设计及matlab仿真验证(

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: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s t )的时间就比较长。

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图1-1 调速系统起动过程的电流和转速波形I dtI dI dcr(1)(2)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dm I 的恒流过程。

按照反馈控制规律,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。

双闭环不可逆直流调速系统课程设计(matlab仿真设计)91524

双闭环不可逆直流调速系统课程设计(matlab仿真设计)91524

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计(matlab simulink 仿真)前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求具有良好的稳态、动态性能。

而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能,在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。

双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟,应用非常广泛的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中,只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后,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。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流限制的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过度过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动,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的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

随着社会化大生产的不断发展,电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用,对其生产工艺、产品质量的要求不断提高,这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速,因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。

本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统,包括主电路和控制回路。

主电路由晶闸管构成,控制回路主要由检测电路,驱动电路构成,检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。

双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB仿真)

双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB仿真)
转速反馈系数 =0.0158V min/r ( 10V/nN) 滤波时间常数取 Toi=0.002s,Ton=0.01s
= = =15V;调节器输入电阻 Ra=40k
3.设计要求
(1)稳态指标:无静差 (2)动态指标:电流超调量
...
5%;采用转速微分负反馈使转速超调量等于 0。
..
..
..
目录
任务书 .............................................................. I 目录 ............................................................... II 前言 ................................................................ 1 第一章 双闭环直流调速系统的工作原理 ................................ 2
.5 检验近似条件 ........................................ 18 2.4.6 计算调节器电阻和电容 ................................ 19 第三章 Simulink 仿真............................................. 20 3.1 电流环的仿真设计 .......................................... 20 3.2 转速环的仿真设计 .......................................... 21 3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计 .............................. 22 第四章 设计心得 ................................................... 24 参考文献 ........................................................... 25

转速-电流双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB-Simulink)

转速-电流双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB-Simulink)

电力拖动自动控制系统课程设计电气工程及其自动化专业任务书1.设计题目转速、电流双闭环直流调速系统的设计2.设计任务某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为:直流电动机:U n=440V,I n=365A,n N=950r/min,R a=0.04,电枢电路总电阻R=0.0825,电枢电路总电感L=3.0mH,电流允许过载倍数=1.5,折算到电动机飞轮惯量GD2=20Nm2。

晶闸管整流装置放大倍数K s=40,滞后时间常数T s=0.0017s电流反馈系数=0.274V/A (10V/1.5IN)转速反馈系数=0.0158V min/r (10V/nN)滤波时间常数取T oi=0.002s,T on=0.01s===15V;调节器输入电阻R a=40k3.设计要求(1)稳态指标:无静差(2)动态指标:电流超调量5%;采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

目录任务书 (I)目录 (II)前言 (1)第一章双闭环直流调速系统的工作原理 (2)1.1 双闭环直流调速系统的介绍 (2)1.2 双闭环直流调速系统的组成 (3)1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 (4)1.4 双闭环直流调速系统的数学模型 (5)1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 (5)1.4.2 起动过程分析 (6)第二章调节器的工程设计 (9)2.1 调节器的设计原则 (9)2.2 Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较 (10)2.3 电流调节器的设计 (11)2.3.1 结构框图的化简和结构的选择 (11)2.3.2 时间常数的计算 (12)2.3.3 选择电流调节器的结构 (13)2.3.4 计算电流调节器的参数 (13)2.3.5 校验近似条件 (14)2.3.6 计算调节器的电阻和电容 (15)2.4 转速调节器的设计 (15)2.4.1 转速环结构框图的化简 (15)2.4.2 确定时间常数 (17)2.4.3 选择转速调节器结构 (17)2.4.4 计算转速调节器参数 (17)2.4.5 检验近似条件 (18)2.4.6 计算调节器电阻和电容 (19)第三章Simulink仿真 (20)3.1 电流环的仿真设计 (20)3.2 转速环的仿真设计 (21)3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计 (22)第四章设计心得 (24)参考文献 (25)前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求具有良好的稳态、动态性能。

基于Matlab-Simulink仿真的双闭环直流调速系统的(精)

基于Matlab-Simulink仿真的双闭环直流调速系统的(精)

x x 学院学报Journal of xxx College基于Matlab-Simulink仿真的双闭环直流调速系统的设计与研究姓名(xxx大学,江苏,南京210000摘要:根据实际应用要求以及给定参数,对转速、电流双闭环直流调速系统进行设计,计算其控制系统的参数,并通过matlab软件的simnlink,对设计的系统进行仿真,以验证设计的正确性,并分析仿真结果,从而进一步说明双闭环调速系统的可行性与优越性。

对计算过程做了着重重视,详细精炼,可以为高校学生参与调速研究提供细节性的指导。

关键词:双闭环直流调速matlab 仿真中图分类号:TG156文献标志码:DESIGN AND RESEARCH Of DOUBLE-LOOP DC MOTOR SPEED CONTROL SYSTEM BASED ON MATLAB-SIMULINKName(xxx College ,Nanjing 210000,Jiangsu ,ChinaAbstract:According to the practical appliance and the parameters given , make a design of the double-loop DC motor speed control system, calculating the other parameters that are needed in the control system we design .I make a simulation of the control system through Matlab-simulink to ensure the preciseness of it. Besides, there is adeep analyse about the characters of the designed system to account for the feasibility of the double-loop DC motor speed control system,as well as the supriorities of it . I make stronge emphysis on specific calculation of the parameters, it can supply a guide for college student who are in research of the speed control system in details.Key words: double-loop;DC machine speed control ; matlab ;simulation0 引言*直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速,其调速控制系统历来在工业控制中占有极其重要的地位。

电流转速双闭环直流调速系统matlab仿真实验

电流转速双闭环直流调速系统matlab仿真实验

实用文档仿真设计报告内容学院专业班级学号学生姓名指导教师完成日期年月日转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink 仿真设计一、系统设计目的直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点,所以在电气传动中获得了广泛应用。

根据直流电动机的工作原理建立了双闭环直流调速系统的数学模型,并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

按照自动控制原理,对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算,利用Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真,通过仿真获得了参数整定的依据。

在理论分析和仿真研究的基础上,设计了一套实验用双闭环直流调速系统。

对系统的性能指标进行了实验测试,表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠,具有较好的静态和动态性能,达到了设计要求。

采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK 进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。

二、系统理论分析2.1 双闭环直流调速系统工作原理电动机在启动阶段,电动机的实际转速低于给定值,速度调节器的输入端偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。

在转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动,速度调节器输入端偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,校正和补偿电动机的转速偏差。

另外电流调节器的小时间常数, 还能对因电网波动引起的电枢电流的变化进行快速调节,可在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度稳定于某一转速。

转速电流双闭环直流调速系统课程设计

转速电流双闭环直流调速系统课程设计

课程设计任务书某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为:直流电动机:U N=220V,I N=205A,n N=575r/min,R a=0.1Ω,电枢电路总电阻R=0.2Ω,电枢电路总电感L=7.59mH,电流允许过载倍数λ=2,折算到电动机轴的飞轮惯量GD2=215Nm2。

晶闸管整流装置放大倍数K s=40,滞后时间常数T s=0.0017s电流反馈系数β=0.024V/A(≈10V/2I N)转速反馈系数α=0.017V min/r(≈10V/n N)滤波时间常数取T oi=0.001s,T on=0.01s。

U nm∗=U im∗=U cm=10V;调节器输入电阻R0=40kΩ。

设计要求:稳态指标:无静差;动态指标:电流超调量σi≤5%;空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。

目录课程设计任务书1第一章直流双闭环调速系统原理21.1系统的组成21.2 系统的原理图3第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计42.1 电流调节器的设计42.2 转速调节器的设计11第三章系统仿真18心得体会22参考文献23第一章直流双闭环调速系统原理1.1系统的组成转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是对系统的动态性能要求较高的系统,单闭环系统就难以满足需要了。

为了实现在允许条件下的最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值I dm的恒流过程。

按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

所以,我们希望达到的控制:启动过程只有电流负反馈,没有转速负反馈;达到稳态转速后只有转速负反馈,不让电流负反馈发挥作用。

故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可以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。

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I电力拖动自动控制系统课程设计电气工程及其自动化专业任务书1.设计题目转速、电流双闭环直流调速系统的设计2.设计任务某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为:直流电动机:U n=440V,I n=365A,n N=950r/min,R a=0.04,电枢电路总电阻R=0.0825,电枢电路总电感L=3.0mH,电流允许过载倍数=1.5,折算到电动机飞轮惯量GD2=20Nm2。

晶闸管整流装置放大倍数K s=40,滞后时间常数T s=0.0017s电流反馈系数=0.274V/A (10V/1.5IN)转速反馈系数=0.0158V min/r (10V/nN)II滤波时间常数取T oi=0.002s,T on=0.01s===15V;调节器输入电阻R a=40k3.设计要求(1)稳态指标:无静差(2)动态指标:电流超调量5%;采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

目录任务书 (I)目录 (II)前言 (1)第一章双闭环直流调速系统的工作原理 (2)1.1 双闭环直流调速系统的介绍 (2)1.2 双闭环直流调速系统的组成 (3)1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 (4)1.4 双闭环直流调速系统的数学模型 (6)1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 (6)1.4.2 起动过程分析 (7)第二章调节器的工程设计 (11) (11)III2.2 Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较 (12)2.3 电流调节器的设计 (13)2.3.1 结构框图的化简和结构的选择 (13)2.3.2 时间常数的计算 (14)2.3.3 选择电流调节器的结构 (15)2.3.4 计算电流调节器的参数 (16)2.3.5 校验近似条件 (16)2.3.6 计算调节器的电阻和电容 (17)2.4 转速调节器的设计 (18)2.4.1 转速环结构框图的化简 (18)2.4.2 确定时间常数 (19)2.4.3 选择转速调节器结构 (19)2.4.4 计算转速调节器参数 (20)2.4.5 检验近似条件 (20)2.4.6 计算调节器电阻和电容 (21)第三章Simulink仿真 (22)3.1 电流环的仿真设计 (22)3.2 转速环的仿真设计 (23) (25)IV第四章设计心得 (27)参考文献 (28)前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求具有良好的稳态、动态性能。

而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能,在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。

双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟,应用非常广泛的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中,只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后,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。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流限制的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过度过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动,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的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

随着社会化大生产的不断发展,电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用,对其生产工艺、产品质量的要求不断提高,这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速,因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。

本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统,包括主电路和控制回路。

主电路由晶闸管构成,控制回路主要由检测电路,驱动电路构成,检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。

第一章 双闭环直流调速系统的工作原理1.1 双闭环直流调速系统的介绍双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛,经济,适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中,只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流dcr I 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-(a )所示。

当电流从最大值降低下来以后,电机转矩也随之减小,因而加速过程必然拖长。

(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1 调速系统起动过程的电流和转速波形 I dLntI d I dm I dL n t I d I dmI n n(a) (b)在实际工作中,我们希望在电机最大电流(转矩)受限的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值,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-(b)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)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突跳,为了实现在允许条件下最I的恒流过程,按照反馈控制规快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值dm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。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈,而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,又希望只要转速负反馈,不再靠电流负反馈发挥主作用,因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

1.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接,如图2所示,即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环;转速环在外面,叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度,使系统在稳态运行时得到无静差调速,又能提高系统的稳定性;作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主,采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图2 转速、电流双闭环直流调速系统图中U *n 、U n —转速给定电压和转速反馈电压;U *i 、U i —电流给定电压和电流反馈电压; ASR —转速调节器; ACR —电流调节器;TG —测速发电机;TA —电流互感器;UPE —电力电子变换器1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性图3:双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示,分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI 调节器的稳态特征。

一般存在两种状况:饱和——输出达到限幅值;K s α1/C e U *n U ct I dE nU d0 U n ++ - ASR + U *i-I d R R βACR - U i UPE不饱和——输出未达到限幅值。

当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,相当与使该调节环开环。

当调节器不饱和时,PI 作用使输入偏差电压U ∆在稳太时总是为零。

实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此,对静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

1.转速调节器不饱和这时,两个调节器都不饱和,稳态时,它们的输入偏差电压都是零,因此,*Un = Un =n ⨯α=0n ⨯α (1-1)*Ui = Ui =d I ⨯β (1-2)由式(1-1)可得:n=α*n U =0n从而得到静特性曲线的CA 段。

与此同时,由于ASR 不饱和,*Ui <*im U 可知d I <dm I ,这就是说,CA 段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到d I =dm I 。

而dm I ,一般都是大于额定电流dn I 的。

这就是静特性的运行段,它是一条水平的特性。

2.转速调节器饱和这时,ASR 输出达到限幅值*im U ,转速外环呈开环状态,转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

稳态时:dI =β*im U =dm I (1-3)其中,最大电流dm I 取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度,由上式可得静特性的AB 段,它是一条垂直的特性。

这样是下垂特性只适合于0n n 〈的情况,因为如果0n n 〉,则*n n U U 〉,ASR 将退出饱和状态。

图4 双闭环直流调速系统的静特性曲线1.4 双闭环直流调速系统的数学模型1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。

双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。

图中)(s W ASR 和)(s W ACR 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d I 显露出来。

图5:双闭环直流调速系统的动态结构框图1.4.2 起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压gnU 由静止状态起动时,转速调节器输出电压giU 、电流调节器输出电压kU 、可控整流器输出电压dU 、电动机电枢电流aI 和转速n 的动态响应波形过程如图2—8所示。

由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况,整个动态过程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。

U *n αU ct-I dLnU d0 U n + - - β- U iW ASR (s) W ACR (s) K s1/RT l s+1 R T m sU *iI d 1/C+E图6 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第一阶段是电流上升阶段。

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