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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Uct作为触发器的移相控制电压，改变Uct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4.1。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。 U* 图4.1 转速、电流双闭环调速系统 n TA Ui i L + + - Un ASR U*- + ACR Uc V Id UPE Ud - TTG M M - n 5、电机参数及设计要求 5.1电机参数
直流电动机：220V，136A，1460r/min， =0.192V ? min/r，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数： =40
电枢回路总电阻：R=0.5
时间常数： =0.00167s, =0.075s
精选范本
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电流反馈系数： =0.05V/A 转速反馈系数：=0.007 V ? min/r
5.2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 6.1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 =0.0017s； 2）电流滤波时间常数 =0.002s；
3）电流环小时间常数之和 = + =0.0037s； （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 =0.03/0.0037=8.11<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： = =0.03s。
电流环开环增益：要求 5%时，取 =0.5，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 = 135.1
1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为 196.1 > ，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： 40.82 < ，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： 180.8 > ，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=0.25时，可得 =0.5067 =16.89;
当KT=1.0时，可得 =2.027 =67.567
6.2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 =0.0074s；
2）电流滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取 =0.01s；
精选范本
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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 34.5
1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于 63.7 > ,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 38.7 > ，所以满足近似条件。
3）核算转速超调量
当h=5时， =81.2%，而 = =515.2rpm，因此
=8.31%<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7.1为电流环的仿真模型，图7.2为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。
图7.1 电流环的仿真模型
精选范本
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图7.2 转速环的仿真模型
8、仿真结果分析
当取 =1.013， =33.77时，电流环阶跃响应快，超调量小。
图8.1 电流环仿真结果
当 =0.5067， =16.89时，电流环阶跃响应无超调，但上升时间长。
图8.2 无超调的仿真结果
精选范本
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当 =2.027， =67.567时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。
图8.3 超调量较大的仿真结果
当 =11.7， =134.48时，图7.2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8.4 转速环空载高速起动波形图
当 =11.7， =134.48时，图7.2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。
精选范本
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图8.5 转速环满载高速起动波形图
当 =11.7， =134.48时，图7.2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8.6 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。
精选范本
双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
