双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

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ASR ACR U *n + - U n U i U *i + - U c TA V M + - U d I d UPE 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。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 转速、电流双闭环调速系统 5、电机参数及设计要求 电机参数

直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，= • min/r ，允许过载倍数=，晶闸管装置放大系数：=40

电枢回路总电阻：R=

时间常数：=, =

电流反馈系数：=A 转速反馈系数：= V • min/r

设计要求

要求电流超调量5%，转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。 6、调节器的工程设计

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=；

2）电流滤波时间常数=；

3）电流环小时间常数之和=+=；

（2）选择电流调节结构

根据设计要求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

==<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

式中—电流调节器的比例系数；

—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：==。

电流环开环增益：要求5%时，取=，因此

于是，ACR的比例系数为

（4）校验近似条件

电流环截止频率=

1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为>，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：<，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：>，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=时，可得= =;

当KT=时，可得= =

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=；

2）电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取=；

3）转速环小时间常数=+；

（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

式中—电流调节器的比例系数；

—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

，

转速开环增益为

所以转速调节器的比例系数为

（4）校验近似条件

转速环截止频率

1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于>,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>，所以满足近似条件。

3）核算转速超调量

当h=5时，=%，而==，因此

=%<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。如图为电流环的仿真模型，图为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。

图 电流环的仿真模型

图 转速环的仿真模型

8、仿真结果分析 当取=，=时，电流环阶跃响应快，超调量小。

图 电流环仿真结果 当=，=时，电流环阶跃响应无超调，但上升时间长。

图无超调的仿真结果

当=，=时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。

图超调量较大的仿真结果

当=，=时，图中“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。

图转速环空载高速起动波形图

当=，=时，图中“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。

图转速环满载高速起动波形图

当=，=时，图中“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。