基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计
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MATLAB课程设计基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真班级:自动化12-2姓名:学号:目录一、目录-----------------------------------------------------------1二、前言-----------------------------------------------------------2三、设计目的及要求--------------------------------------------3四、设计题目及参数--------------------------------------------3五、设计内容过程-----------------------------------------------31.计算电流和转速反馈系数-----------------------------------------32.电流环的动态校正过程--------------------------------------------33.转速环的动态校正过程--------------------------------------------94.建立转速电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真模型,对上述分析设计结果进行仿真-------------------------------------14六、设计总结---------------------------------------------------18七、参考文献---------------------------------------------------19二、前言:控制系统理论与技术是现代科学技术的主要内容,以经广泛应用于航空与航天工业、电力工业、核能工业、石油工业、化学工业及冶金工业等众多学科和工程技术领域,并且具有经济、安全、快捷、优化设计和预测的特殊功能等优点,在非工程系统(如社会、管理、经济等系统)中,由于其规模及复杂程度巨大,直接实验几乎不可能,这是通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识,因此仿真技术已经成为对控制系统进行分析、设计和综合研究中很有效的手段。
第36卷第2期2016年5月桂林理工大学学报Journal of Guilin University of TechnologyVol . 36 No . 2 May 2016文章编号:1674 -9057(2016)02 -0378 -05doi :10. 3969/j . issn . 1674 -9057. 2016. 02. 032基于MATLAB 的双闭环直流调速系统建模与仿真刘胜前,张烈平,孙旋,钟志贤(桂林理工大学机械与控制工程学院,广西桂林541004)摘要:结合转速、电流双闭环直流调速系统的系统结构和电路组成,使用仿真软件Simulink 对双闭环直 流调速系统电流环进行建模仿真。
结果表明:阻尼系数越大,超调量越大,上升时间越短,当阻尼系数为0.5时,电流环性能达到最优。
在电流环性能最优时:空载运行条件下,系统稳定转速随给定电压变小而 变小;额定负载条件下,通过较长上升时间,达到额定转速。
抗扰性检验表明,该系统抗扰性较强。
关键词:负反馈;双闭环;直流调速系统;Simulink中图分类号:TP 273文献标志码:A在生产和生活中,各种电机的快速起动、制动 事关工业生产效率和人们的生活质量,基于电力电 子技术的不断发展,对于调速系统的起动时间、制动响应等性能指标要求也越来越高。
由于直流调 速系统技术比较成熟,多年以来一直是自动调速系 统的主要形式,普遍应用于冶金、地质、土建、轻 工业等领域[1]。
相比开环调速系统,闭环调速系 统的各项性能指标更优[2]。
如果对于系统的动态 性能要求较高,要求系统可以快速的起、制动,尤 其是在突然施加负载的情况下,速降很小,那么就 需要应用转速、电流双闭环直流调速系统[3]。
1双闭环直流调速系统的数学建模选取整流装置采用三相桥式电路由晶闸管供电的双闭环调速系统,基本参数如下:直流电动 机,220 V ,120 A , 1 000 r /min ,允许过载倍数 A = 1.4;晶闸管放大系数& =30;电枢回路总电阻只 =0.4 11;时间常数 L =0.023 s ,r m =0.2 s ,转速 滤波环节时间常数7^取〇.〇1 S。
基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计目录1、绪论 (3)2、设计方案论证 (4)3、系统仿真 (8)4、心的体会 (9)5、参考文献 (9)1.绪论对于一般的调速系统来说,采用PI 调节器的单闭环直流调速系统(单闭环系统)可一以在保证系统稳定的前提下实现转速无净差。
但是如果对系统的动态性能要求较高,例如要要求快速起动、制动,突加负载动态速降小等等。
此时仅凭单闭环系统已经很难满足要求。
这主要是因为单闭环系统不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
为了能很好地解决这个问题,我们引入了转速、电流双闭环直流调速系统组成的双闭环直流调速系统。
在系统中分别设置两个调节器,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。
两者之间实行嵌套(或者称为串级)联接。
如图1所示把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。
从闭环 结构上看,电流环在里面,称为内环;转速环在外边,称为外环。
这样就形成了转速、电 流双闭环调速系统。
双闭环直流调速系统的原理图如图1。
图1 转速、电流双闭环直流调速系统TGnASRACRU *n + -U nU iU*i+-U cTAVM+-U dI dUPL-MT2.设计方案论证 2.1.设计要求直流电动机的技术参数如下:220V 、136A 、1460r/min 、e C =0.312min V r ∙、 允许过载倍数λ=1.5,晶闸管装置的放大倍数SK =40,失控时间s T =0.0017s,电枢回路总电路R=0.5Ω,时间常数L T =0.03s, m T =0.18s,电流反馈系数β=0.05V/A ,转速反馈系数α=0.007min V r ∙。
设计要求:稳态指标无净差,动态指标,i σ%不大于5%,n σ%不大于10%2.2.具体设计方法系统无净差则ss e =0,因此选用I 型系统,采用双闭环直流调速系统,先设计电流环,再设计转速环。
基于Matlab的双闭环调速系统设计报告目录一、摘要 (2)二、总体方案设计 (3)1、控制原理2、控制结构图三、参数计算 (5)1、静态参数设计计算2、动态参数设计计算四、稳定性分析 (8)1、基于经典自控理论得分析2、利用MATLAB辅助分析A、利用根轨迹分析B、在频域内分析奈氏曲线:bode图利用单输入单输出仿真工具箱分析用Simulink仿真五、系统校正 (14)1、系统校正的工具2、调节器的选择3、校正环节的设计4、限流装置的选择六、系统验证 (15)1、分析系统的各项指标2、单位阶跃响应3、Simulink仿真系统验证系统运行情况七、心得体会 (20)八、参考文献 (20)一、摘要运动控制课是后续于自动控制原理课的课程,是更加接近本专业实现应用的一门课程。
直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。
所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。
本设计首先进行总体系统设计,然后确定各个参数,当明确了系统传函之后,再进行稳定性分析,在稳定的基础上,进行整定以达到设计要求。
另外,设计过程中还要以matlab为工具,以求简明直观而方便快捷的设计过程。
二、总体方案设计1、控制原理根据设计要求,所设计的系统应为单闭环直流调速系统,选定转速为反馈量,采用变电压调节方式,实现对直流电机的无极平滑调速。
所以,设计如下的原理图:图1、单闭环直流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端,再与给定值比较,经放大环节产生控制电压,再通过电力电子变换器来调节电机回路电流,达到控制电机转速的目的。
这里,电压放大环节采用集成电路运算放大器实现,主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。
所以,更具体的原理图如下:图2、单闭环直流调速系统具体原理图2、控制结构图有了原理图之后,把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示,就得到了系统的稳态结构框图。
基于matlab的双闭环直流调速系统仿真及参数进化设计本文基于matlab平台,设计了一个双闭环直流调速系统,并通过参数进化算法对其进行优化设计,以提高系统的性能和稳定性。
一、双闭环直流调速系统的基本结构和参数双闭环直流调速系统包括基本结构和控制回路两个部分。
其基本结构如下图所示:忽略反电动势的动态影响在按动态性能设计电流环时,可以暂不考虑反电动势变化的动态影响,即∆E ≈0。
这时,电流环如下图所示。
2) 等效成单位负反馈系统如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内,同时把给定信号改成U *i (s ) /β ,则电流环便等效成单位负反馈系统。
3) 小惯性环节近似处理由于T s 和 T 0i 一般都比T l 小得多,可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节,其时间常数为T ∑i = T s + T oi 简化的近似条件为ois ci 131T T ≤ω电流环结构图最终简化成图。
b 电流调节器结构的选择 1) 典型系统的选择:从稳态要求上看,希望电流无静差,以得到理想的堵转特性,采用 I 型系统就够了。
从动态要求上看,实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素,为此,电流环应以跟随性能为主,应选用典型I 型系统 2) 电流调节器选择电流环的控制对象是双惯性型的,要校正成典型 I 型系统,显然应采用PI型的电流调节器,其传递函数可以写成ss K s W i i i ACR )1()(ττ+=K i — 电流调节器的比例系数;τi — 电流调节器的超前时间常数3) 校正后电流环的结构和特性为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消,选择则电流环的动态结构图便成为图a 所示的典型形式,其中a) 动态结构图:b) 开环对数幅频特性c. 电流调节器的参数计算电流调节器的参数有:K i 和 τi ,其msT l8i==τRK K K i siI τβ=中 τi 已选定,剩下的只有比例系数 K i , 可根据所需要的动态性能指标选取。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y制造系统自动化技术大作业——基于MATALAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真院系:机电工程学院班级:学号:姓名:日期:2013.07.02©哈尔滨工业大学第一部分 设计任务书设计参数:设一转速、电流双闭环直流调速系统,采用双极式H 桥PWM 方式驱动,已知电动机参数为:额定功率200W ; 额定转速48V ; 额定电流4A ; 额定转速=500r/min ; 电枢回路总电阻8=R Ω; 允许电流过载倍数λ=2; 电势系数=e C 0.04Vmin/r ; 电磁时间常数=L T 0.008s ; 机电时间常数=m T 0.5;电流反馈滤波时间常数=oi T 0.2ms ; 转速反馈滤波时间常数=on T 1ms ;要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压==**im nmU U 10V ; 两调节器的输出限幅电压为10V ; PWM 功率变换器的开关频率=f 10kHz ; 放大倍数=s K 4.8。
试对该系统进行动态参数设计,设计指标: 稳态无静差; 电流超调量≤i σ5%;空载起动到额定转速时的转速超调量σ ≤ 25%; 过渡过程时间=s t 0.5 s 。
第二部分 设计说明书一、稳态参数计算电流反馈系数:)/(25.14210A V I U nom im =⨯==*λβ转速反馈系数:)min/(02.050010r V n U nom nm ===*α二、电流环设计1、确定时间常数已知PWM 功率变换器的开关频率kHz f 10=,则s T s 0001.0=。
取电流滤波时间常数0.0002oi s τ=,按电流环小时间常数环节的近似处理方法,取s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑2、选择电流调节器结构电流环可按典型I 型系统进行设计。
matlab课程设计--基于Matlab 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真班级:自动化12-1班姓名:学号:指导老师:前言MATLAB是一种对技术计算高性能的语言,它集成了计算、可视化和编程于一个易用的环境中。
在此环境下,问题和解答都表达为我们熟悉的数学符号。
典型的应用有:1.数学和计算;2.算法开发;3.建模、模拟和原形化;4.数据分析、探索和可视化;5.科学与工程制图;6.应用开发,包括图形用户界面的建立。
MATLAB在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析。
由于信号与系统课程的许多内容都是基于公式演算,而MATLAB借助符号数学工具箱提供的符号运算功能,能基本满足信号与系统课程的需求。
例如解微分方程、傅里叶正反变换、拉普拉斯正反变换和z正反变换等。
MATLAB在信号与系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析,主要包括函数波形绘制、函数运算、冲击响应与阶跃响应仿真分析、信号的时域分析、信号的频谱分析、系统的S域分析和零极点图绘制等内容。
数值计算仿真分析可以帮助学生更深入地理解理论知识,并为将来使用MATLAB进行信号处理领域的各种分析和实际应用打下基础。
此次课程设计主要是为了进一步熟悉对matlab软件的使用,以及学会利用matlab对直流电机双闭环调速系统这种实际问题进行处理,将理论应用于实际,加深对它的理解。
目录前言第一章Matlab软件简介1.1 Matlab的产生和历史背景 (1)1.2 Matlab的语言特点 (2)第二章系统介绍2.1 设计参数要求 (4)2.2 稳态参数计算 (4)2.3 电流环设计 (5)2.4 转速换设计 (8)第三章仿真调试3.1 仿真结果分析 (11)3.2 转速电流双闭环程序流程框图 (11)3.3 Matlab源程序 (12)第四章总结 (14)参考文献第一章 Matlab软件简介1.1 Matlab的产生和历史背景在20世纪70年代中期,Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。
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5.1=λ 。
闸管放大系数:Ks=40。
R 0.5=Ω电枢回路电阻:。
时间常数:T1=0.03s ,Tm=0.18s 。
电流反馈系数:)10V /1.5I V /A(05.0nom ≈=β转速反馈系数:)n /10(r /m in 007.0nom V V ≈=α2、技术要求:稳态指标:无静差;动态指标:电流超调量%5i ≤σ;空载起动到额定转速时的转速超调量%10%n =σ。
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r t 、超调量%p σ、调节时间s t 、最大启动电流dmax I 、稳态误差ss e 。
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。
基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计目录1、绪论 (3)2、设计方案论证 (4)3、系统仿真 (8)4、心的体会 (9)5、参考文献 (9)1.绪论对于一般的调速系统来说,采用PI 调节器的单闭环直流调速系统(单闭环系统)可一以在保证系统稳定的前提下实现转速无净差。
但是如果对系统的动态性能要求较高,例如要 要求快速起动、制动,突加负载动态速降小等等。
此时仅凭单闭环系统已经很难满足要求。
这主要是因为单闭环系统不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
为了能很好地解决这个问题,我们引入了转速、电流双闭环直流调速系统组成的双闭环直流调速系统。
在系统中分别设置两个调节器,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。
两者之间实行嵌套(或者称为串级)联接。
如图1所示把转速调节器的 输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。
从闭环 结构上看,电流环在里面,称为内环;转速环在外边,称为外环。
这样就形成了转速、电 流双闭环调速系统。
双闭环直流调速系统的原理图如图1。
图1 转速、电流双闭环直流调速系统TGnASRACRU *n + -U nU iU*i+-U cTAVM+-U dI dUPL-MT2.设计方案论证 2.1.设计要求直流电动机的技术参数如下:220V 、136A 、1460r/min 、e C =0.312min V r ∙、 允许过载倍数λ=1.5,晶闸管装置的放大倍数S K =40,失控时间s T =0.0017s,电枢回路总电路R=0.5Ω,时间常数L T =0.03s, m T =0.18s,电流反馈系数β=0.05V/A ,转速反馈系数α=0.007min V r ∙。
设计要求:稳态指标无净差,动态指标,i σ%不大于5%,n σ%不大于10%2.2.具体设计方法系统无净差则ss e =0,因此选用I 型系统,采用双闭环直流调速系统,先设计电流环,再设计转速环。
参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识,可以得到双闭环系统的动态结构图如图2所示。
图2 双闭环直流调速系统动态结构图2.2.1.电流环的设计(1)确定时间常数电流反馈滤波时间常数oi T =0.002s电流环时间常数i T =s oi T T +=0.0017+0.002 =0.0037s (2)选择ACR 的结构 因为要求i %5%σ≤且iT cT =8.11<10所以设计成典I 系统,选择PI 调节器i '(1)()W i i K s ACR S sττ+=(3)参数的计算i τ =L T =0.03s 选取I i K T =0.5所以I K =0.50.50.037135.1i T == 则0.030.50.0540135.1 1.013i sRi IK K K τβ⨯⨯==⨯= (4)验证近似条件晶闸管装置的传递函数近似条件13s ci T W ≤ 13135.1196.1s ci T W =<=满足条件 忽略反电动势的条件13m Lci T T W ≥1135.140.83m Lci T T W =>=满足条件小时间常数近似处理的条件113s oici T T W ≤113135.1180.8s oici T T W =<=满足条件(5)实现选取040R K =Ω则 1.0134040.52i i i R K R K ==⨯=Ω360.034010100.75ii i R C F τμ⨯==⨯= 304640.0024010100.2oi T oi R C F μ⨯⨯==⨯= 电流环的超调量i %=4.3%<5%σ满足要求电流调节器原理如图3所示。
+-+βI dR 0/2R 0/2R 0/2R 0/2R iR balC iC oiC oiU ctU i *图3 电流调节器原理图2.2.2.转速环的设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数220.00370.0074i T s =⨯= 转速滤波时间常数on T =0.01s转速环时间常数20.00740.010.0174n i on T T T s =+=+= (2)选择ASR 的结构 (1)()n n n K ASR S sW ττ+=(3)参数n τ、n K选h(中频宽)=5550.01740.087n n T s τ==⨯= (1)(51)0.050.1320.182250.0070.50.017411.7e n nh C T n h RT K βα++⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===(4)验证近似条件 CN N n W K τ==2212nh n h Tτ+⨯ =396.40.087⨯ =34.5电流环传递函数转化条件11550.03754.1i cn T W ⨯≤==成立。
小时间常数近似处理的条件111132320.0370.0138.75i oncn T T W ⨯⨯≤==成立。
(5)实现选取040R K =Ω则0468n n R K R K ==Ω 选取470n R K =Ω360.08747010100.185nn n R C F τμ⨯==⨯= 选取0.2n C F μ=304340.014010101on T on R C F μ⨯⨯==⨯= %8.31%10%n σ=<达到要求。
转速调节器的原理图如图4所示。
+-+U n *αnR 0/2R 0/2R 0/2R 0/2R 0R balC nC onC onU i *图4 转速调节器原理图3双闭环调速系统在Simulink 环境下的仿真基于电气原理图的双闭环直流调速控制系统仿真模型如图5所示。
仿真开始时间为0,结束时间为2。
仿真波形如图6所示。
Out11powerguiContinuous VM2v +-VM1v +-VM v +-Universal BridgegA BC+-Uf 220VSynchronized 6-Pulse Generatoralpha_degAB BC CA BlockpulsesSeries RLC BranchScopeSaturationGain 20.1Gain 1-1Discrete PI Controller 1PI Discrete PI ControllerPI DC MachineTLmA+F+A-F-dc Constant 3-207Constant 2150Constant 10Constant120CBA图5 直流电动机双闭环控制系统的电气原理仿真模型0.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.82050100150200250300时间(t )给定、转速、电流直流电动机双闭环控制系统转速、电流输出曲线转速电流给定第一阶段第二阶段第三阶段图6 直流电动机双闭环控制系统仿真波形通过仿真模型的输出我们可以看到,本设计的过程和各项指标均达到了设计的要求,结果很理想。
但是在这里不得不说明的一点事,上述结果是在没有考虑扰动、参数随时间的变化等因素而得到了近似理想状态下的结果,它是由仿真软件仿真得到的结果,在实际生产中还可能会出现别的问题。
因此,如果在设计的时候进一步考虑到其他方面的因素,则系统设计将得到更加真实、理想的结果。
4.心得体会作为一名自动化专业得学生,我觉得《电力拖动自动控制系统》是自动化非常重要的课程,它是自动化专业的专业必修课,它的重要性不言而喻。
回顾起此次课程设计,我学到很多很多的东西,不仅巩固了以前所学过的知识,加深了对《电力拖动自动控制系统》的理解,而且学到了很多在书本上所没有学到过的内容。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的。
经过了这次课程设计我又学到了很多以前课堂上学不到的东西,在李老师的悉心指导了我收获了很多,在规定的时间内完成了规定的任务,同时我还发觉到自身很多的不足,专业课学的不太扎实,对与一些细节没有一个清晰地认识。
这使得我一后要加倍努力学习专业知识,并做到理论与实践相结合,学以致用。
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