雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及

1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及 mat lab仿真驗(yàn)證 1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 1. 1初始條件： 不叮逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相橋式整流電路，系 統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動(dòng)機(jī):750nom U V =, 760nom I A =, 375min nom n r =, 1. 82min e C V r =,允許過(guò)載倍數(shù)1. 5入時(shí)間常數(shù):0. 031L T s二，0. 112m T s二晶閘管放大倍 數(shù)： 75s K 二； 主回路總電阻：0. 14R二Q額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓*10n U V二,調(diào)節(jié)器ASR、ACR 飽和輸出回路電壓 * 10im U V =, 10cm U V

2、 二。1.2 設(shè)計(jì)要求 穩(wěn)態(tài)指標(biāo):穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量5%i cW空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%n c丟 求 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系 統(tǒng)。對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，在起動(dòng)（或制動(dòng)過(guò)程中，希望始終保持電流為 允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減速運(yùn)行。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最 好使電流立即降下來(lái)，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn) 入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。采用 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因而只能采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè) 調(diào)節(jié)器。 2. 1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，

3、可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引 入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí) 行嵌套連接。如下圖所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用用 電流調(diào) 節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPEo 由于題目要求穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，因而調(diào)節(jié)器必須采用相應(yīng)的積分器調(diào)節(jié)器，故相應(yīng) 轉(zhuǎn) 速環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)電流內(nèi)環(huán)也采用相應(yīng)的PI調(diào)節(jié)器也能實(shí)現(xiàn) 很好的 動(dòng)、靜態(tài)特性。 2. 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 通過(guò)相應(yīng)處理可以得到相應(yīng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下 +- 其中（ASR W s和（ACR W s分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞環(huán)視。為 了引出電流

4、 反饋，在動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中引出相應(yīng)的電樞電流d I,而且表示轉(zhuǎn)速反饋系 數(shù)，表示電流反饋系數(shù)。 2. 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析2. 3. 1起動(dòng)過(guò)程分析 從電流與轉(zhuǎn)速變化過(guò)程所反映出的特點(diǎn)可以將起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流 升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段： 電流上升階段：突加給定電壓*n U后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，c U、Od U、 d I均上升，但是在d I沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流dL I以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)d dL I I辰電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于幾點(diǎn)慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器ASR的輸入偏差電壓（* c n n U U U ?二-的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值幻皿U，強(qiáng)迫

5、電樞電流d I迅速上升直到d dm I I，* i im U U電流調(diào)節(jié)很快就壓制了 d I的增長(zhǎng)。該階段結(jié)束，此階段中，ASR很快進(jìn) 入 并保持飽和狀態(tài)，而ACR 般不飽和。 恒流升速階段：此階段中,ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速換相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒 值電流給定下的電流調(diào)速系統(tǒng)，基本上保持電流很定，因而系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線 性增長(zhǎng)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其 輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào) 后,ASR輸入偏差為負(fù)，使它開(kāi)始推出飽和狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下調(diào)速，直 到穩(wěn)態(tài)。此階段中，AST?和

6、ACR都不飽和，AST?起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)作用，而ACR則力圖使 d I很快地跟隨其給定值*i U。 起動(dòng)過(guò)程歸納的特點(diǎn)有：(1飽和非線性控制轉(zhuǎn)速超調(diào)(3準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 232動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)性能就是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾 動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。 抗負(fù)載擾動(dòng)：負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)后，因而只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù) 載擾動(dòng)作用。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)：在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速變化會(huì) 比單 閉環(huán)系統(tǒng)小的多。 2. 3. 3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器作用 (1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快的跟隨給定電壓變化，穩(wěn) 態(tài)時(shí)

7、可以減小轉(zhuǎn)速誤差，若采用PI調(diào)節(jié)器，則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。對(duì)負(fù)載變化起抗擾 作用。其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。 (2電流調(diào)節(jié)器的作用 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給 定電壓* 1 U （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾 的作用。在轉(zhuǎn) 速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò) 程。當(dāng)電機(jī)過(guò)載 甚 至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即 自動(dòng)恢復(fù)正常。 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 對(duì)于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，可以按照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器。 原 則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。步驟是：

8、先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)開(kāi)始，對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處 理,然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成那一類典型系統(tǒng)。 電流環(huán)設(shè)計(jì)完成 后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。 2. 1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 下圖所示是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的 電磁時(shí)間常熟遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常熟，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流慢很多。 對(duì)電流環(huán) 來(lái)說(shuō),反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基 本不變。這樣，在按動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng) 勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影 響。 (1確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間s

9、 T的確定。查書(shū)上表2-2可以知道，三相橋式電路的平 均失控時(shí)間為 0. 0017s s T 三 電流濾波時(shí)間常數(shù)oi T的確定。三相橋式整流電路的每個(gè)波頭的時(shí)間 3. 3ms為了基本濾平波頭，應(yīng)有(12 3. 33oi T ms二，因此取20. 002oi T ms s二二。 由于s T和oi T 般都比I T小的多，可以當(dāng)做小慣性群近似地看作是一個(gè) 慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)為0. 00371 s oi T T T s 刀二+二 (2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%i (7V并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，因而可以按照典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流 環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞

10、函 數(shù)如下： 由此可以得到電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 由于L i T T !因而可選取調(diào)節(jié)器的0. 0311 L T s以二肖除控制對(duì)象中大慣性 (1 (i i ASR i K s W s s TT + = (1 ( (1(1 i i s opi i L i K s K R + 環(huán)節(jié)，以便校正成典型I型系統(tǒng)，因此相應(yīng)的可以得到校正后的系統(tǒng)的傳遞函 數(shù)如下 Wopi ( s = Ki BK s R Ki KI = = T i s (T 藝 i s + 1 TL s (T 藝 i s + 1 s (T 藝 i s + 1 (3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):T i = TL = 0. 031s

11、電流開(kāi) 環(huán)增益：由于題設(shè)要求電流超調(diào)量(7 i 5烷載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào) 量c n 10%查表可以知道應(yīng)取K I T藝i二0. 25因此KI二0. 25 0. 25 = = 67. 57 T藝i 0. 0037故相應(yīng)的可以得到ACR的比例系數(shù)為K T R 67.57 X 0.031 X 0. 14 Ki = I i = 0. 444 75 X 0. 0088 K對(duì)于上述雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用如下：(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當(dāng)偏差電壓為零時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；對(duì)負(fù)載變 化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。(2)電流 調(diào)節(jié)器的作用：在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓變化；對(duì)電網(wǎng)電壓波 動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動(dòng)；當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至 于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值