雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 作者： 日期：18 個人收集整理 勿做商業(yè)用途控制系統(tǒng)設(shè)計實習(xí)報告課程名稱控制技術(shù)設(shè)計名稱雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計學(xué)號學(xué)生姓名所在專業(yè)所在班級指導(dǎo)教師成績教師簽字年 月 日實習(xí)設(shè)計時間： 年 月 日 至 年 月 日控制系統(tǒng)設(shè)計實習(xí)報告一、實習(xí)目的1通過對實際綜合實驗的培養(yǎng)，加強學(xué)生的實際動手能力.2學(xué)習(xí)仿真軟件Matlab的應(yīng)用。3熟悉相關(guān)實驗裝置。4加深對電力拖動自動控制系統(tǒng)這一課程的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生綜合專業(yè)知識的能力。5。 了解雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理,組成及各主要單元部件的原理.二、設(shè)計要求1電流超調(diào)量%5 2過渡過程盡可能3。

2、中頻寬h=5三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟,適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能,它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等,單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求.這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制

3、電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1（a）所示.當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1(b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電

4、流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)（a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形實際上,由于主電路電感的作用,電流不能突跳,為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動,關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程.問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋,而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋

5、發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面,叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差

6、調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能.圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主接線圖的重要組成版塊接線詳圖：給定電路圖：速度變換器電路圖：電流反饋FBC電路圖:轉(zhuǎn)速調(diào)速ASR電路圖：電流調(diào)節(jié)ACR電路圖：零速封鎖DZS電路圖：3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況:飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時,輸出為恒值,輸入量的變化不再

7、影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零.圖3Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來.圖4：U*na Uct

8、-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E5。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用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，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差;對負(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)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化;對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用;起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動;當(dāng)電機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當(dāng)故障消失時,系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。四、仿真設(shè)計設(shè)計后的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖如下

9、:由于本文只進行了理論性設(shè)計，故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性.采用MATLAB中的simulink工具箱對系統(tǒng)在階躍輸入和負(fù)載擾動情況下的動態(tài)響應(yīng)（主要為轉(zhuǎn)速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。根據(jù)例題修改的gain gain1 step step1 仿真后波形六、仿真結(jié)果分析圖上部為電機轉(zhuǎn)速曲線，下部為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(huán)將電機速度提高,并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉(zhuǎn)速換

10、起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。1.電機轉(zhuǎn)速曲線在電流上升階段,由于電動機機械慣性較大,不能立即啟動.此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，電流調(diào)節(jié)器ACR起主要作用.轉(zhuǎn)速一直上升.當(dāng)?shù)竭_恒流升速階段時,ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài),系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值,電動機轉(zhuǎn)速呈線性增長直至給定轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)在最短時間內(nèi)完成啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時,ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào).轉(zhuǎn)速超調(diào)后，極性發(fā)生了變化,，則ASR推出飽和.其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降

11、.此后,電動機在負(fù)載的阻力作用下減速，轉(zhuǎn)速在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當(dāng)突加給定負(fù)載時，由于負(fù)載加大,因此轉(zhuǎn)速有所下降，此時經(jīng)過ASR和ACR的調(diào)節(jié)作用后,轉(zhuǎn)速又恢復(fù)為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負(fù)載能力很強。2.電機電流曲線直流電機剛啟動時，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，達到限幅值,迫使電流急速上升。當(dāng)電流值達到限幅電流時，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使電流不再增加.當(dāng)負(fù)載突然增大時，由于轉(zhuǎn)速下降，此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR起主要的調(diào)節(jié)作用，因此，電流調(diào)節(jié)器ACR電流有所下降，同啟動時一樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和,達到限幅值,使電流急速上升。但是由于電流值達到

12、限幅電流時,電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當(dāng)擾動取電以后,電流調(diào)節(jié)器ACR電流又有所增加，此后,電動機在負(fù)載的阻力作用下減速，電流也在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。七,實驗臺調(diào)試（1）斷開主電路，按圖2接好線路。示波器接Y1接Ui，Y2接-Un并反相。（2） ASR、ACR基本參數(shù): ASR、ACR接為PI，積分電容分別4.7 10F，2。24。7F； 增益電阻RP3均左旋到底,使增益最小。積分電阻RP4均調(diào)至小值。（3） ASR、ACR輸出飽和電壓調(diào)節(jié) 加給定Un*=2V，調(diào)ASR的RP2使其輸出負(fù)飽和電壓為-4V。調(diào)ACR的RP1使其輸出正飽和電壓為4V。加給定Un*=2V，調(diào)A

13、SR的RP1使欺輸出正飽和電壓為4V>0。調(diào)ACR的RP2使其輸出負(fù)飽和電壓為4V<0.3.2試車與反饋調(diào)試：（1）Uct直接接給定+Ug并先降0. （2）接通主電路。緩升給定啟動電機至1400rpm。調(diào)FBS轉(zhuǎn)速反饋電路的RP使Un=4V.給定降0。（3）斷開直流機勵磁開關(guān)K不讓電機起動。緩升給定Ug，調(diào)Id=0.5A。調(diào)FBC電流反饋電路的RP1使Ui=4V。（4)給定降回0，斷主電路?；謴?fù)Uct接ACR輸出。3.3電流環(huán)調(diào)節(jié)（1）斷開直流機勵磁開關(guān)K，斷主電路。(2）升給定+Un=+2V， 測應(yīng)有-Ui=4V。給定用開關(guān)回0。（3）接通主電路。接通給定開關(guān),觀察電流環(huán)Id階躍

14、響應(yīng)波形?？烧{(diào)ACR的積分電阻RP4，使Id響應(yīng)上升快,超調(diào)和振蕩較小。(4）記錄電流環(huán)階躍響應(yīng)波形。(5）恢復(fù):給定降0，斷主電路,接通直流機勵磁開關(guān)K。 34雙閉環(huán)起動特性實驗：（1）接通主電路。合K2，交流發(fā)電機加勵磁。緩升給定+Un,啟動電機至1445rpm，給定用開關(guān)回0。（2)接通給定開關(guān)，加階躍Un使電機恒流起動，用示波器觀察紀(jì)錄電流、轉(zhuǎn)速波形。紀(jì)錄穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。（可調(diào)ASR的積分電阻RP4，使n響應(yīng)上升快,超調(diào)和振蕩較小)3。5雙閉環(huán)抗擾實驗通/斷交流發(fā)電機勵磁，改變直流機負(fù)載，觀察紀(jì)錄加減載擾動過程中，電流與轉(zhuǎn)速的抗擾動態(tài)波形與穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)4 實驗結(jié)果（1）電流環(huán)階躍響應(yīng)（2）起動動

15、態(tài)波形與穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)+Un*（V）Un(V)n(rpm)Ui*（V)Ui(V）Id(V)（3)抗擾動態(tài)波形與穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)Id(V)n(rpm）八、設(shè)計結(jié)論雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如仿真波形所示。由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段,即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從啟動時間上看,第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使

16、之在穩(wěn)態(tài)是無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓的波動。通過仿真可知：啟動時，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動電流保持最大，使轉(zhuǎn)速線性變化,迅速達到給定值;穩(wěn)態(tài)運行時,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用,使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化,電流內(nèi)環(huán)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負(fù)載電流.九、總結(jié)與體會通過本次實習(xí)，我對自動控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運用有了深入的認(rèn)識，對自動控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識。在課程設(shè)計過程中，我都按照自動控制系統(tǒng)課上學(xué)到的設(shè)計步驟來做，首先熟悉系統(tǒng)的工藝,進行對象的分析，設(shè)計總體方案,其間與同學(xué)進

17、行幾次方案的討論、修改，再討論、再修改,最后定案,確定最終方案,然后設(shè)計硬件部分,通過查資料選取適當(dāng)?shù)挠布?，畫出對?yīng)的電路圖，接著設(shè)計控制器，以及各部分的功能模塊的實現(xiàn)。本次設(shè)計的時間比較倉促，但我在王榮輝老師的指導(dǎo)下和同學(xué)們得幫助下，克服了很多困難圓滿完成這次設(shè)計。通過這個設(shè)計我同時也體會到了團隊合作的樂趣。但是，通過設(shè)計我也明白一點，我們上課所學(xué)到的知識在做本設(shè)計時是遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不夠的,只是設(shè)計的一點皮毛而已。平常我們應(yīng)該擴大自己得知識面.在設(shè)計完成后進行仿真，我們利用MATLAB仿真，把電路連好設(shè)定好參數(shù)就可以進入?yún)?shù)調(diào)試，仿真。調(diào)試的主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的故障和錯誤。調(diào)試階段，找出硬件、參數(shù)間

18、不相匹配和有錯的地方,反復(fù)修改,直到符合設(shè)計要求。經(jīng)過這次的課程設(shè)計,不僅在書上學(xué)到的知識得到了鞏固，而且還在設(shè)計過程中拓展了其他沒有學(xué)過的知識.這次的課程設(shè)計從查找資料,到確定方案，最后再到用軟件仿真，我們組都團結(jié)協(xié)作,互相幫助,并且得到老師的關(guān)懷。我們以前學(xué)習(xí)的知識都漸漸離我們遠(yuǎn)去，甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。這次課程設(shè)計，通過自己查找資料,了解情況,讓我們清楚我們學(xué)的知識與現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)之間的聯(lián)系,使得我們對知識深刻的了解和鞏固。與此同時,在團隊的協(xié)作中使我們在與人共事之中學(xué)會交流學(xué)會合作。因為在今后的工作中一個人獨立完成不與別人合作，是基本不可能的，所以在這次課程設(shè)計中也鍛煉了我們