电力拖动自动控制系统-运动控制系统课程论文范文

本科生课程（选修）论文
论文题目：双闭环直流调速系统仿真
课程名称：运动控制系统
姓名：
学号：
2016年11 月01 日
双闭环直流调速系统仿真
对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。

具体要求如下： 在一个由PWM 变换器供电的转速、电流双闭环调速系统中，PWM 变换器的频率为8kHz 。

已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A ,
1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196V·
min/r , 主回路总电阻R =0.1Ω,变换器的放大倍数s K =35。

电磁时间常数l T =0.01s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s 转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。

额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =8V 。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。

试求：
（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.5N I 以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。

（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。

给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。

（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。

并与仿真结果进行对比分析。

（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。

（6）在5s 突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。

（1）*80.0171.5308im dm U V A I β===⨯,*10min 0.011000
n N U V r n α⋅=== （2）
1.电流调节器ACR 的设计
确定时间常数：PWM 变换器滞后时间常数0.000125s T s =
电流反馈滤波时间常数0.0025oi T s = 电流环小时间常数之和0.0001250.00250.002625i s oi T T T s ∑=+=+=
选择电流调节器结构：
因为5%i δ≤，可按典型I 型系统设计，选用PI 调节器，(1)()i i ACR i K S W S S
ττ+=
计算电流调节器参数： 0.01i l T s τ==，取0.5I i K T ∑=，1
0.50.5190.4760.002625I i K s T -∑===，
190.4760.010.10.32350.017
I i i s K R K K τβ⨯⨯===⨯ 所以ACR 的传递函数为(1)0.32(0.011)()0.01i i ACR i K S S W S S S ττ++=
= 校验近似条件：电流环截止频率1190.476ci I K s ω-==
晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
11112666.7330.000125
ci s s s T ω--=≈>⨯满足近似条件 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
11386.6ci s ω--=≈<满足近似条件 电流环小时间常数近似处理条件：
11596.33ci s ω-=≈>满足近似条件
2.转速调节器ASR 的设计
确定时间常数：电流环等效时间常数110.00525190.476
I s K == 转速反馈滤波时间常数0.015on T s =
转速环小时间常数10.005250.0150.02025n on I T T s K ∑=
+=+= 选择转速调节器结构：
按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数(1)()n n ASR n K S W S S
ττ+= 计算转速调节器参数：
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h =，则ASR 的超前时间常数为
50.020250.10125n n hT s τ∑==⨯=
转速环开环增益为
2222216292.642250.02025
N n h K s h T -∑+===⨯⨯ ASR 比例系数为
(1)60.0170.1960.1211.852250.010.10.02025
e m n n h C T K h RT βα∑+⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯ 校验近似条件：转速环截止频率11292.640.1012529.63N cn N n K K s ωτω-===⨯≈
电流环传递函数简化条件
1189.79cn s ω--=≈>满足近似条件
转速环小时间常数近似处理条件
111190.47637.56330.015I cn on K s T ω-=≈>满足近似条件 校核转速超调量：
空载起动时，0z =；当5h =时，max 81.2%b C C ∆=；dN N e
I R n C ∆= max max **(
)2()()3080.1
0.020250.196281.2% 1.5 6.5%10%10000.12
b N n n b b m C n C n T z C n C n T δλ∑∆∆∆∆==-⨯=⨯⨯⨯⨯=< 转速超调量满足要求。

所以ASR 的传递函数为(1)11.85(0.101251)()0.10125n n ASR n K S S W S S S ττ++=
=
3
图（1）双闭环仿真模型
限幅时的仿真波形
图（2）转速与电枢电流波形图（3）转速调节器输出
图（4）转速调节器积分部分输出
由图（2）可知，峰值转速约为1071min r ，稳态转速为1000min r ，max 107110007.1%1000n n n σ∞∞--=
==（与理论计算6.5%接近），调节时间0.7s t s =（2%±误差带）
不限幅时的仿真波形
图（5）转速与电枢电流波形
图（6）转速调节器输出
图（7）转速调节器积分部分输出
由图（5）可知，峰值转速约为1426min r ，稳态转速为1000min r ，
max 1426100042.6%1000n n n σ∞∞--=
==，调节时间 1.7s t s =（2%±误差带） 比较两组数据可知，限幅后的转速波形超调量更小（7.1%42.6%<），调节时间更短（0.7 1.7s s <），动态性能更好。

其原因在于，刚启动时，偏差信号U ∆很大，通过时间的积累导致转速调节器积分部分的输出也很大（由图（7）可知）。

在转速超过给定转速时，
*0n n U U U ∆=-<，此时积分部分反向积分，由于积分部分输出很大，退饱和超调时间长，超调量大。

一旦积分部分限幅之后，其输出就被限制在了一个较小的值，要抵消这部分输出也只需要较小的n U 、转速超调量以及更短的时间。

这也就是两者波形不同、限幅后动态性能更好的原因。

4电动机带40%额定负载起动到最低转速的超调量为
max max (
)2()()3080.1
0.020250.196272.2%(1.50.4)42.12%1000.12b N n n b b m
C n C n T z C n C n T δλ∑∆∆∆∆==-⨯=⨯⨯-⨯⨯=
图（8）带40%负载起动到最低转速的转速波形
在此负载电流设为40%3080.4123.2dl dN I I A =⨯=⨯=，由图（8）可知，峰
值转速为138min r ，max 13810038%100n n n σ∞∞--=
==，与理论计算接近。

图（9）转速调节器ASR 的输出
5、根据公式2375e L GD dn T T dt -=、e m dm T C I =、L m dL T C I =、2375m e m
GD R T C C = 可得()dm dL e m dn R I I dt C T =-，()e m dm dL C T dt dn I I R
=-两边积分得 *0.1960.1210000.51()(1.53080)0.1
e m dm dL C T n t s I I R ⨯⨯===-⨯-⨯ 从图（2）可知，上升至*n 所需时间0.5t s =，与理论计算一致。

6、为使波形清晰，特截取5s 左右的波形。

图（10）转速与电枢电流波形
图（11）转速调节器输出
图（12）转速调节器积分部分输出
加载后，转速下降，转速调节器输出的电流给定增加，电流在电流内环作用下增加，经过调整后与负载匹配进入稳态。