双闭环调速系统调节器设计及MATLAB仿真验证1.docVIP

双闭环调速系统调节器设计及MATLAB仿真验证 摘要 摘要 双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了设计了转速控制环和电流控制环。详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink对直流电动机双闭环调速系统进行数学建模和系统仿真。根据仿真结果分析该调速系统满足我们的设计要求。 关键词：双闭环控制系统 Simulink 电流控制环 仿真 2.1双闭环系统的组成 对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程如图1所示。 图1时间最优的理想过渡过程 为了实现允许条件下的最快启动，关键是要获得一段电流保持最大值的恒流过程。因此，采用电流负反馈来实现这一目的。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用可以再系统中设置两个调节器，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。系统整体的原理图如图2所示。 图2双闭环直流调速系统原理图 2.2双闭环系统的稳态结构图 双闭环直流调速系统的稳态结构图如图3所示。两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的事实控制和快速跟随，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态。 图3双闭环直流调速系统的稳态结构图 (1) 当转速调节器不饱和时，这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此 （1）(2)当转速调节器饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不在产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调速系统。稳态时 （2） 式中，最大电流是由设计者选定的，本次设计系统为。 （3） 在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。 当负载电流达到时，转速调节器为饱和输出，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。当ASR处于饱和状态时，，若负载电流减小，，使转速上升，nn0，Δn0ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。 2.3双闭环系统的动态结构图 双闭环直流调速系统的稳态结构图如图4所示。图中分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。 图4 双闭环直流调速系统的动态结构图 对调速系统而言，被控制的对象是转速。它的跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述，图5描绘了时间最优的理想过渡过程。从图中可以看出，启动过程可以分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。 图5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 (1) 第阶段：电流上升阶段。在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下， 很快上升，在上升到之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。当 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到 ， 。 (2) 第阶段：恒流升速阶段ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值，基本上保持电流不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是略低于。 (3) 第阶段：转速调节阶段。n上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为，电动机仍处于加速过程，使n超过了n* ，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了ΔUn0，ASR退出饱和状态，Ui和很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，= ，转速才到达峰值。在t3~t4时间内， ，转速由加速变为减速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。 在第阶段中， ASR和ACR都不饱和，电流