利用Matlab仿真平台设计双闭环直流调速系统.docVIP

PAGE PAGE 19 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 。 闸管放大系数：Ks=40。 。 时间常数：T1=0.03s ，Tm=0.18s。 电流反馈系数： 转速反馈系数： 2、技术要求： 稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。 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、超调量、调节时间、最大启动电流、稳态误差。 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： 图1 双闭环调速系统结构示意图 双闭环调速系统结构原理图如下图2： 图2 双闭环调速系统结构原理图 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。如下图3： 图3 双闭环直流调速系统稳态结构图 注意：在转速调节器饱和时，相当于开环状态，在线性段（不饱和）时，才起到稳态调节作用 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，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 如下图4 ： 图4 双闭环调速系统静特性特性 图4 双闭环调速系统静特性特性 1、转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都是零。 ，由于不饱和，，则 转速调节器饱和 输出达到限幅值,转速外环呈开环状态，转速的变化对于系统不再产生影响，双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统，稳态时： ，此时必须是的情况。 3.2 系统的动态性能分析 3.2.1 动态数学模型 系统的动态数学模型如下图5： 图5 双闭环调速系统动态结构图 3.2.2 动态性能指标分析 1、典型系统的选择 为了保证系统稳定性和一定的稳态精度，多采用Ⅰ型和Ⅱ型系统。又因为典型一型系统跟随性能好，故选择典型一型系统进行下一步设计。 2、动态性能指标 跟随性能指标： （1）上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值经过的时间称为上升时间。它表示动态响应的快速性。 图6 动态过程 （2）超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量： 超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 （3）调节时间：在阶跃响应曲线的稳态值附近，取（或）的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间，定义为调节时间。 4 校正装置的设计 设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。故设计此系统需要的是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，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。 系统的具体结构如下图8： 图8 双闭环直流调速系统结构图 4.1 电流环的设计 如上图8所示，内环画框图部分为电流环，可根据实际对电流环进行简化，结果为 确定时间常数 整流装置滞后时间常数 三相桥式电路的平均失控时间。 电流滤波时间常数 三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有（1~2），因此取。 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。 2、电流调节器结构的选择 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，从这个观点出发，应该把电流环校正成典型Ⅰ型系统。电流环的控制对象是双惯性型的。要校正成典型Ⅰ型系统，显然因该采用调节器。 根据设计要