文档介绍：Harbin Institute of Technology 控制系统数字仿真与 CAD 课程报告题目:“双闭环控制直流电机调速系统”数字仿真实验姓名: 专业: 电气工程及其自动化班级: 学号: 完成时间: -1- “双闭环控制直流电机调速系统”仿真实验摘要: 直流电机具有模型简单控制方便的优点,因此交流电机变频调速时总是将交流电机通过变换等效成直流电机后进行控制。在本次实验中, 依次进行双闭环直流电动机调速系统的建模, 设计电流环/调节器并进行电流环动态跟随性能仿真实验; 设计转速环/调节器并进行转速环动态抗扰性能仿真实验;分析系统动态性能。验证了直流电机双闭环调速系统的 PID 设计方法。关键词: Matlab/Simulink 图形化建模,数字仿真,直流电机,双闭环 PID 控制 1 引言目前,交流电机变频调速系统已经大面积代替直流电机调速系统。但是直流电机具有模型简单控制方便的优点,因此交流电机变频调速时总是将交流电机通过变换等效成直流电机后进行控制。研究典型的双闭环控制直流电机调速系统对于深入理解交流电机变频调速过程有重要意义。 2 原理/ 建模直流电机双闭环调速系统的动态模型结构图如下。图1 双闭环调速系统动态结构图 3 设计 系统基本参数系统中采用三相桥式晶闸管整流装置,基本参数如下: 直流电动机:220V , , 1480r/min ,C e =/ ( r/min ),允许过载倍数λ= ; 晶闸管装置: K s=76; 电枢回路总电阻: R= ?; 时间常数: T l = ,T m = ; 反馈系数: α=/ ( r/min ),β= ; 反馈滤波时间常数: T oi = ,T on = 。-2- 控制系统参数三相桥式电路的平均失控时间: T s = ACR 超前时间常数: τ i =T l = ACR 的比例系数: 电流调节器传递函数: 最小时间常数近似处理: ASR 的比例系数: 转速调节器传递函数: ASR 输出限幅值: 4 仿真实验/ 结果分析 系统动态结构的 Simulink 建模根据理论计算得到的参数,可得双闭环调速系统的动态结构图如图 2所示。图3为按照理论设计得到的转速输出波形。从图 2中可以清楚地看出,输出转速有很大的超调,最大可达 % ,调整时间达 之久,实际系统中这是所不能接受的。图2 双闭环调速系统动态结构图-3- 图3 理论设计条件下输出转速曲线对 ACR 和 ASR 的参数进行整定,特别是速度控制器的参数。就对其作出了适当的调整,将速度控制器的传递函数改成,将电流调节器的传递函数改为。修正后的系统动态结构图如图4所示。图5为控制系统参数修正后得到的转速输出波形。从图 5中可以清楚地看出,输出转速超调为25%,调整时间为 2s。转速超调与调整时间均符合一般要求。图4 修正后的双闭环调速系统动态结构图-4- 图5 修正后输出转速曲线 电流环跟随性能仿真实验将电流环从系统中分离出来。电流环的模型如图 6所示。运用 Simulink 工具进行线性分析。选择 Tools 菜单下的 Control Design 栏并选择 Linear Analysis 。运行后得到系统的单位阶跃响应如图 7所示, Bode 图如图 8所示, Nyquis t 图如图 9所示。从实验结果图中可以得到电流环的时域特性,超调量约为 PO=2% ,稳态时间约为 t s = ;频域特性,剪切频率约为ω c =16 0 rad/s ,相角裕量约为δ=4 5°。图6 ACR 模型图7 电流环的单位阶跃响应-5- 图8 电流环的 B ode 图图9 电流环的 N yquist 图 转速环抗扰性能仿真 启动性能分析图10、图 11、图12分别为 ASR 的输出与电动机转速动态特性仿真结果,A CR 的输出与电动机转速动态特性仿真结果以及电动机电流与电动机转速动态特性仿真结果。-6- 图 10 ASR 的输出特性图 11 ACR 的输出特性-7- 图 12 电动机电流特性从图 10可以看出 ASR 从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态,即饱和限幅输出与线性调节状态;从图 11可以看出 ACR 从起动到稳速运行的过程中仅工作在一种状态,即线性调节状态; 该系统对于起动特性来说,已达到预期目的;从图5和图 12可以清楚地看出对于系统性能指标来说,起动过程中电流的超调量约为 3%,转速的超调量约为 25%。这与理论最佳设计有一定差距,尤其是转速超调量略高一些。 抗扰性能分析实验中选取 Start time=0