转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真

2）转速环小时间常数近似处理条件
1 K I 1 135.1 -1 s 38.7s-1 cn 3 Ton 3 0.01
满足近似条件
按照上述参数，由 n (
C max nb C n T n ) * 2( max )( - z) *N 得 Cb n Cb n Tm
图 1.3 电流环的仿真模型 2
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3、用工程设计的方法整定电流环 PI 调节器参数 （1）确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数 Ts 。按表 2-2，三相桥式电路的平均失控时间 Ts 0.0017s 。 2）电流滤波时间常数 Toi 。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms，为了基本滤平波头， 应有 (1 ~ 2)Toi 3.33ms ，因此取 Toi 2 ms 0.002 s 。 3）电流环小时间常数之和 T i 。按小时间常数近似处理，取 T i Ts Toi 0.0037s 。 （2）选择电流调节器结构 根据设计要求 i 5% ，并保证稳态电流无差，可按典型 I 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 WACR (s) 检查对电源电压的抗扰性能： 性能，各项指标均可接受。 （3）计算电流调节器参数 电流环开环传递函数为： Wopi (s)
U d0 、 I d 都上升，当 I d I dL 后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速的增长不会
很快，因而转速调节器 ASR 的输入偏差电压 U n (U * n - U n ) 数值较大，其输出很快达到
* * 限幅值 U im ，强迫电流 I d 迅速上升。当 I d I dm 时，U i U im ，电流调节器的作用使 I d 不
(二)转速环的设计
1、转速环的仿真框图及参数 除已给参数外，已知：转速反馈系数 0.007V min /r ( 10V/n N ) ,要求转速无静差，空载 启动到额定转速时的转速超调量 n 10% 。按工程设计方法设计转速调节器。用电流环的等效 环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图所示。
二、实验设备及软件
PC 机一台、MATLAB 2015b
三、实验内容 (一)电流环的设计
1、电流环的仿真框图及参数 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 0.132V min /r ，允许过载倍数λ=1.5； 晶闸管装置放大系数： K s 40 ； 电枢回路总电阻：R=0.5Ω； 时间常数： Tl 0.03s ， Tm 0.18s ， Ts 0.0017 s ， Toi 0.002 s ； 电流反馈系数： 0.05V / A( 10V / 1.5 I N ) ； 设计要求 。 设计电流调节器，要求电流超调量 i 5% ；
Ton
。根据所用测速发电机纹波情况，取
Ton 0.01s
T 3）转速环小时间常数 n 。按小时间常数近似处理，取 1 T n Ton 0.0074 s 0.01s 0.0174 s KI
（2）选择转速调节器结构
WASR (s) K n ( ns 1) ns
仲恺农业工程学院实验报告纸
自动化学院 （院、系） 工业自动化 专业 144 班 组 教师评定 课 学号 201421714406 姓名 黄国盛 实验日期 2017 年 4 月 26 日
实验二 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
一、实验目的
掌握直流双闭环调速系统的设计。 进一步了解双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、 动态特性；基本掌握 ASR、ACR 为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的 计算；运用 MATLAB 仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，进一步熟悉 MATLAB 的相关功能，掌握了其使用方法。
（注：为了方便查看输出波形的参数和特性，建立以 in1 为输入和 out1 为输出的仿真模型如图 1.3）
图 1.2 电流环的仿真模型
10、 因为要用到 SIMULINK 的线性分析功能生成阶跃响应图， 如图需设置闭环输入和闭环输 出端口且输入乘 10，从而保持原来的输入。 11、运行后点击 Analysis—Control design—Linear Analysis—Step；右击阶跃响应图 空白处可选择调出显示阶跃图的上升时间、超调量、稳定时间、稳定值等特性参数。
1 1 s -1 196.1s -1 ci 3Ts 3 0.0017
满足近似条件
2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
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3
1 1 3 s-1 40.82s-1 ci TmTl 0.18 0.03
满足近似条件
3）检验电流环小时间常数近似处理条件
图 2.1 转速环的仿真框图
2、电流、转速环的仿真模型 根据参数要求： 1、阶跃输入设置：Step time :0—Initial value:0—Final value: 10 ; 2、Simulation—Configuration Parameters—Data Import/Export—去掉 Limit data point to last; 3、Simulation—Configuration Parameters—Solver—Start time:0 Stop time: 1.5 4、Saturation 模块 限幅正负 10; 5、ACR 限幅输出设置为正负 10，ASR 限幅输出设置为正负 10 134.48 6、ASR 整定参数结果为 KT 0.5, PI : 11 .7 s 7、第二个阶跃输入即负载电流设置为 136 满载启动（即第二个阶跃输入） 8、运行后点击 Scope 可见输出波形，可保存图形为 figure 图; 9、在 Command Window 生成 figure 图的方法 输入 Workspace Plot(tout,simout)
再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR 由不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。 第 II 阶段是恒流升速阶段。 从电流升到最大值 I dm 开始， 到转速升到给定值 n*为止， 属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中 ASR 始终是饱和的，转速
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136 0.5 0.0174 n 2 81.2% 1.5 0.132 8.31% 10% 满足设计要求 1460 0.18
四、实验结果和分析
（1）空载启动时，负载电流设置为 0。 整个起动过程分为三个阶段：
* 第 I 阶段是电流上升阶段。 突加给定电压 U n 后,通过两个调节器的控制作用,使 U c 、
1 1 3 s-1 180.8s-1 ci TsToi 0.0017 0.002
3
满足近似条件
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为
i 4 .3 % 5 %
4、电流环阶跃响应仿真结果
（见表 3-1） 满足设计要求
（注：在直流电动机恒流升速阶段，电流值低于 I N 200 A ,其原因是电流调节系统受到电 动机反电动势的干扰， 它是一个线性渐增的扰动量， 所以系统做不到无静差， 而是 I d 略低于 I dm 。 由于 ACR 系统是 I 型系统且负载扰动量是斜坡信号，系统有逐渐增大的稳态误差。） 67.567 1、当 KT 1.0, PI : 2.027 时，上升时间短，快速性好，但系统转速响应超调大。 s
按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为
（3）计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5,则 ASR 的超前时间常数为
n hT n 5 0.0174 s 0.087 s
由 KN 由 Kn
h 1 h 1 6 可求得转速开环增益 K N 2 2 s2 396.4s2 2 2 2 2 2h T n 2 h T n 2 5 0.0174 (h 1) CeTm 可求得 ASR 的比例系数为 2 hRT n Kn (h 1) CeTm 6 0.05 0.132 0.18 11 .7 2 hRT n 2 5 0.007 0.5 0.0174 KN
KI 0 .5 0.5 -1 s 135.1s -1 T i 0.0037
于是，ACR 的比例系数为
Ki K I i R 135.1 0.03 0.5 1.013 Ks 40 0.05
（4）检验近似条件 电流环截止频率： ci K I 135.1s -1 1）检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
K i ( is 1) K S / R is (Tl s 1)(T i 1) K i ( is 1) 。 is
Tl 0.03 8.11 ，参见表 3-2 的典型 I 型系统动态抗扰 T i 0.0037
因为 Tl T i ， 故选择 PI 调节器参数 i Tl 0.03s ， 用调节器零点消去控制对象中大 的时间常数极点，从而校正成典型 I 型系统。 电流环开环增益：要求 i 5% 时，按表 3-1，应取 K IT i 0.5 ，因此
图 2.2 电流、转速环的仿真模型
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3、用工程设计的方法整定转速环 PI 调节器参数 （1）确定时间常数 1）电流环等效时间常数
1 。由电流环参数，已取 K IT i 0.5 ，则 KI 1 2T i 2 0.0037 s 0.0074 s KI
2）转速滤波时间常数
图 1.1 电流环的仿真框图
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2、电流环的仿真模型 1、Step 模块 Step time :0—Initial value:0—Final value: 10 ; 2、Saturation 模块 限幅正负 10; 3 、 Simulation— Configuration Parameters— Data Import/Export —去掉 Limit data point to last; 4、积分调节环节设置积分饱和值为-10 到 10; 5、Simulation—Configuration Parameters—Solver—Start time:0 Stop time: 1.5 7、先测试三组参数设置 67.567 KT 1.0, PI : 2.027 ； s 33.767 KT 0.5, PI : 1.013 ；（整定结果） s 16.89 KT 0.25, PI : 0.5067 ； s 8、运行后点击 Scope 可见输出波形，可保存图形为 figure 图; 9、在 Command Window 生成 figure 图的方法 输入 Workspace Plot(tout,simout)
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2、当 KT 0.25, PI : 0.5067 差。
16.89 时，系统转速响应几乎无超调，但上升时间长，快速性 s
3、当 KT 0.5, PI : 1.013
33.767 时。上升时间 0.057s。超调量居中。调节时间居中。 s
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（4）校验近似条件 由 K 1c ，转速环截止频率为 cn 1）电流环传递函数简化条件
1
K N n 396.4 0.087 s -1 34.5s -1
1 KI 1 135.1 -1 s 63.7s-1 cn 3 T i 3 0.0037
满足简化条件