雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)(課程設計).doc

課程設計說明書 NO.15雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及其仿真 班 級：自動化2班 學 號：xxxxxxxx 姓 名：xxxxxx 指導教師：xxxxxx 設計時間：2014年6月23日目 錄一、前言 31.課題研究的意義32.課題研究的背景3二、總體設計方案31. MATLAB 仿真軟件介紹32.設計目標43.系統(tǒng)理論設計 54.仿真實驗 95.仿真波形分析13三、心得體會14四、參考文獻 16一、前言1課題研究的意義從七十年代開始，由于晶閘管直流調速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應等優(yōu)點而得到廣泛應用。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)就是一個典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉速電流雙閉環(huán)調速控制電路、以及缺相和過流保護電路等。直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。就目前而言，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調速的場合得到廣泛的應用。且直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。所以加深直流電機控制原理理解有很重要的意義。2課題研究的背景電力電子技術是電機控制技術發(fā)展的最重要的助推器,電力電機技術的迅猛發(fā)展,促使了電機控制技術水平有了突破性的提高。從20世紀60年代第一代電力 電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二代有自關斷能力的電力電子器 件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復合場控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬 勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓, 多年來其結構、工藝不斷改進,性能有了飛速提高,在不同應用領域它們在互相 競爭,新的應用不斷出現(xiàn)。同時電機控制技術的發(fā)展得力于微電子技術、電力電 子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發(fā)展 成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。3注意什么問題二、總體設計方案1.MATLAB 仿真軟件介紹本設計所采用的仿真軟件是MATLAB。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB應用非常之廣泛！MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。主要的優(yōu)勢特點為： 高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運算分析中解脫出來；具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握； 功能豐富的應用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。2.設計目標設計一個雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調速范圍D=10，靜差率5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量5%，電流脈動系數(shù)10%；啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量10%。系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護，觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。直流電動機數(shù)據(jù)：額定功率29.92KW，額定電壓220V，額定電流136A，額定轉速 1460r/m，=0.132Vmin/r， 允許過載倍數(shù)=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：=40電樞回路總電阻：R=1時間常數(shù)：機電時間常數(shù)=0.18s，電磁時間常數(shù)=0.03s電流反饋系數(shù)：=0.05V/A轉速反饋系數(shù)：=0.007v min/r轉速反饋濾波時間常數(shù)：=0.005s，=0.005s總飛輪力矩：GD=2.5N.mh=53.系統(tǒng)理論設計：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應該首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠實現(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結構簡單，工作可靠，設計和調試方便，達到本課程設計的要求。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構框圖:圖1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.1電流調節(jié)器設計整流裝置滯后時間常數(shù)：三相電路的平均失控時間=0.0017s （3-1）電流濾波時間常數(shù)：=0.005s （3-2）電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取為：=+=0.0067s (3-3） 3.2選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為： = （3-4）檢查對電源電壓的抗擾性能： （3-5）符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標都是可以接受的。電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：=0.03s。 （3-6）電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%是按書表2-2，應取=0.5，因此： （3-7）于是，ACR的比例系統(tǒng)為： （3-8）電流環(huán)截至頻率： （3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： （3-10）忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為： （3-11）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為： （3-12）按所用的運算放大器取得。各電容和電阻值為：、 （2-13）Ri=40k （2-14）按照上面計算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%5%,滿足課題所給要求。3.3速度調節(jié)器設計電流環(huán)等效時間常數(shù)。取=0.5，則： （3-15）轉速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，?。?0.005s。 （3-16）轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，?。?（3-17）3.4選擇轉速調節(jié)器結構按設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-18）按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為： （3-19）并且求得轉速環(huán)開環(huán)增益為： （3-20）則可得ASR的比例系數(shù)為： （3-21）3.5校驗近似條件轉速截止頻率為： （3-22）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為： （3-23）轉速環(huán)外環(huán)的小時間常數(shù)近似處理條件為： （3-24）3.6計算調節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取=40。各電容和電阻值為：， （3-25） （3-26）3.7校核轉速超調量當h=5時，由書可以查得：=37.6%，這并不能滿足課題所給要求。實際上，由于表2-6是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。如下： （3-27）滿足課題所給要求。4.仿真實驗：為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，如圖2所示。圖2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構圖2中，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)綜上所述，采用轉速，電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)能更好的完成本題的設計要求，現(xiàn)采用轉速，電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行設計，如圖3所示： 圖3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型圖如 圖4所示：圖4 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形及分析：ASR輸出限幅值 （4-1） ACR輸出限幅值 （4-2）調節(jié)限度器1將ASR輸出限幅值的Upper Limit和Lower Limit進行適當?shù)恼{節(jié)?？傻玫缴仙龝r間最大的波形（=7.7s 限幅值=3.8V）和上升時間最?。?0.7s限幅值=14V）的波形。上升時間最大波形如圖5所示：圖5雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最大波形圖上升時間最小波形如圖6所示：圖6 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最小波形圖經(jīng)過雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最大波形與雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最小波形對比可知：限幅值越大上升時間越小，限幅值越小上升時間越大；同時值越大，超調越?。恢翟叫?，超調越大。在符合設計要求的情況下，經(jīng)過多次的參數(shù)調整，得到一組較好的調節(jié)參數(shù)，如表1和圖7所示：晶閘管放大系數(shù)Ks機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)電流反饋系數(shù)轉速反饋系數(shù)允許過載倍數(shù)300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.6159.845500.220.01s表1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)參數(shù)圖7 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)波形圖由此可得：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)采用PI調節(jié)規(guī)律，它不同于P調節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調節(jié)器它的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。5.仿真波形分析從波形中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：第階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調節(jié)作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉速升到給定值n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。第階段：轉速調節(jié)階段。在這階段開始，轉速已達到給定值，轉速調節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉速超調后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉速仍繼續(xù)上升。達到最大值后，轉速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時起調節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的作用歸納為： 1轉速調節(jié)器的作用轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2電流調節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。三、心得體會經(jīng)過這次課程的設計，使我明白了一門課程設計對學好該門課程的重要性。同時也感覺到自己在實踐動手能力方面的缺陷與不足，因此我將會在以后的學習和工作中不斷來加強這方面的鍛煉。這次課程設計的時間雖說是短暫的，但在這幾天中我學會了不少的東西，首先對直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學知識的一次很好的應用。通過這次課程設計，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態(tài)上也有不小的進步。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是這次設計給我的一點小小的感悟。以前一直覺得理論知識離我們很遠，經(jīng)過課程設計，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學習書本知識的興趣。再者我們學習的是工科，不單純只是理論方面的的工作，還應該考慮到實際情況。在本次課程設計中也遇到了不少的工程問題和理論問題，但最后都得到了完滿的解決，在此十分的感謝課程設計指導老師-李俊圣老師的細心指導和幫助?？傊?，在設計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。四、參考文獻1 阮毅, 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng) M. 4版. 北京：機械工業(yè)出版社，20