中國礦業(yè)大學(xué)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告課程名稱：電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)專 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 班 級(jí)： 2012-1班學(xué) 號(hào)： 21125982 姓 名： 胡瑞瑞指導(dǎo)教師：王穎杰 成 績： 完成日期： 2015 年 7月6 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)條件：晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)為：直流電動(dòng)機(jī)：UN=220V，IN=205A，nN=575r/min , Ra=0.1，電樞電路總電阻R=0.2，電樞電路總電感L=7.59mH，電流允許過載倍數(shù)=2，折算到電動(dòng)機(jī)軸的飛輪慣量GD2=215Nm2。晶閘管整流裝置放大倍數(shù)Ks=40，滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s電流反饋系數(shù)=

2、0.024V/A(10V/2IN)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.017V min/r(10V/nN)濾波時(shí)間常數(shù)取 Toi=0.001s，Ton=0.01s。Unm*=Uim*=Ucm=10V；調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40k。設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10% 。目錄第一章直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理.41.1系統(tǒng)組成41.2系統(tǒng)原理圖.8第二章 轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).92.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì).92.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì).17第三章系統(tǒng)仿真25總結(jié)31心得體會(huì).32參考文獻(xiàn).34第一章 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理1.1系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋控制的直流調(diào)

3、速系統(tǒng)是靜，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。和經(jīng)典控制理論的動(dòng)態(tài)校政方法相比，直流雙閉環(huán)設(shè)計(jì)方法計(jì)算簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，容易掌握。應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法能很好地解決轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)設(shè)計(jì)問題。起動(dòng)電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)（制動(dòng)）過程。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)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)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達(dá)到的控制：?jiǎn)?dòng)過程只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不

4、讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器來組成系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖1-1所示。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，再把電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速換在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號(hào)Ui*（對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。 ACR

5、(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號(hào)Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)的變化。整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。 圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.2 主電路設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

6、器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)作ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該系統(tǒng)原理框圖如圖所示。電流檢測(cè)負(fù)載電動(dòng)機(jī)整流觸發(fā)裝置ACRASR電壓速度檢測(cè)1.2 系統(tǒng)的原理圖為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系

7、統(tǒng)原理圖如圖1-2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入輸出的實(shí)際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖1.2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號(hào)的極性，主要視觸發(fā)電路對(duì)控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求ACR的輸出Uct為正極性，由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求ACR的輸入U(xiǎn)i*為負(fù)極性，所以，要求ASR輸入的給定電壓Un*為正極性。它們是按照電力電子變換器的了控制電壓UC為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流

8、給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖11直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖第二章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速器的設(shè)計(jì)圖1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖在設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，一般是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的設(shè)計(jì)與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序進(jìn)行，在動(dòng)態(tài)過程中可以認(rèn)為外環(huán)對(duì)內(nèi)環(huán)幾乎無影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個(gè)組成環(huán)節(jié)3。由于典型型系統(tǒng)的跟隨性能由于典型型系統(tǒng)，而典型型系統(tǒng)的抗擾性能優(yōu)于典型型系統(tǒng)，因此一般來說，從快速啟動(dòng)系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型型

9、系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)；由于要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)法是建立在頻率特性理論基礎(chǔ)上的，只需將典型系統(tǒng)和典型系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性作為調(diào)速系統(tǒng)僅有的兩種預(yù)期特性。2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在圖2-1點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用互相交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)TL遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因此，轉(zhuǎn)速的裱花往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即E0。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)

10、時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-1所示。可以證明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是ci31TmTl式中 ci-電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成Ui*(s)/，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2-2所示，從這里可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。 圖2-2 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)時(shí)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖最后，由于TS和TOI一般都比TL小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為Ti=Ts+Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)

11、化成圖2-3。簡(jiǎn)化的近似條件為ci131TSToi圖 2-3 小慣性環(huán)節(jié)近似處理時(shí)電流的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-3可以看出，采用 型系統(tǒng)就夠了。再從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型 型系統(tǒng)。圖2-3表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的，要校正成典型 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI 型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成WACRs=Ki(is+1)is式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器

12、的比例系數(shù)； i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇i=Tl則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖2-4所示的典型形式，其中KI=KiKsiR圖2-4 校正成典型 型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 A動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b開環(huán)對(duì)數(shù)扶貧特性2.1.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。取Toi=0.001s。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0027s。4）電磁時(shí)間常數(shù)Tl、機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce。Ce=UN-INR

13、anN=220-205×0.1575=0.3470Vmin/r；Tl=LR=7.59mH0.2=0.03795s； Tm=GD2R375CeCm=215×0.2375×0.3470×30×0.3470=0.0997s2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可采用PI 型電流調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為：WACR(s)=Ki(iS+1)iS檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：TlTi=0.03795s0.0027s=14.06，參照表2-1的典型 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可

14、以接受的。tm / T2.814.73.421.73.828.74.030.4表2-1典型 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系3.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流反饋系數(shù)：10V2IN=0.024V/A電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.03795s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時(shí)，按表2-2，應(yīng)取KITi=0.5，因此KI=0.5Ti=0.50.0027s=185.2s-1于是，ACR的比例系數(shù)為Ki=KIiRKs=185.2×0.03795×0.240×0.024=1.46參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比超調(diào)量上升時(shí)間峰值時(shí)間相角穩(wěn)定裕度截止頻率

15、1.00% 0.243/T081.5%6.6T8.3T0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T0.455/T0.69.5%3.3T 4.7T0.569/T0.516.3%2.4T 3.6T0.786/T表2-2 典型 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系4.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=185.2s-1（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts=13×0.0017s=196.1s-1>ci滿足近似條件。（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件31TmTl=3×10.0997s×0.03795s=48.77s-1<ci滿

16、足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件131TsToi=13×10.0017s×0.001s=255.65s-1>ci滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)電阻和調(diào)節(jié)電容由圖2-5，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為 Ri=KiR0=1.46×40k=58.4k， 取58 k Ci=iRi=0.0379558×103F=0.65×10-6F=0.65F 取 0.65F Coi=4ToiR0=4×0.00140×103F=0.1×10-6F=0.1F 取 0.1F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨

17、性能指標(biāo)為i=4.3%5%，滿足設(shè)計(jì)要求。2.1.4 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-5所示。圖中Ui*為電流給定電壓，-Id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓UC。根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出Ki=RiR0i=RiCiToi=14R0Coi圖 2-5 含給定濾波與反饋濾波的PI 型電流調(diào)節(jié)器輸入U(xiǎn)*i 電流給定電壓； 輸入bId 電流負(fù)反饋電壓； 輸出Uc 電力電子變換器的控制電壓。2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 2.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)等效后可視作轉(zhuǎn)速換中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)W

18、cli(s)。由圖2-4可知Wclis=Id(s）Ui*(s)=1TiKIs2+1KIs+1忽略高次項(xiàng)，Wcli(s)可降階近似為Wcli(s)11KIs+1近似條件為cn13KITi式中 cn轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速換內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 Ui*(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為Id(s)Ui*(s)=Wcli(s)11KIs+1這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)1KI的一階慣性環(huán)節(jié)。加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)

19、速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖2-6所示。圖2-6 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 U*n(s)/a，再把時(shí)間常數(shù)為 1 / KI 和 T0n 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，其中Tn=1KI+Ton則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡(jiǎn)成圖2-7圖2-7 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理后轉(zhuǎn)速換的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 U*n(s)/a，把時(shí)間常數(shù)為 1 / KI 和 Ton 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)

20、該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見圖 2-7），現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASRs=Kn(ns+1)ns式中 Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Wns=KnR(ns+1)nCeTms2(Tns+1)令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN為KN=KnRnCeTm則Wns=KN(ns+1)s2(Tns+1) 不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-8所示。圖2-8 校正

21、后成為典型系統(tǒng)時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 2.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI ：已取KITi=0.5，則1KI=2Ti=2×0.0027s=0.0054s 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton : 根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況， 取Ton=0.01s 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tn=1KI+Ton=0.0054s+0.01s=0.0154s 2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計(jì)要求，選用PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASRs=Kn(ns+1)ns3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=3，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n=h

22、Tn=3×0.0154s=0.0462s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN=h+12h2Tn2=42×9×0.01542=937.01s-2ASR的比例系數(shù)為Kn=(h+1)CeTm2hRTn=4×0.024×0.347×0.09972×3×0.017×0.2×0.0154=10.64.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為cn=KN1=KNn=937×0.0462=43.3s-11）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件13KITi=13185.20.0027s-1=87.3s-1>cn滿足簡(jiǎn)化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常

23、數(shù)近似處理?xiàng)l件為13KITon=13185.20.01s-1=45.4s-1>cn滿足近似條件。 5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖2-9，取R0=40k，則 Rn=KnR0=10.6×40k=424k 取424 k Cn=nRn=0.0462424×103F=0.109×10-6F=0.109F 取0.11F Con=4TonR0=4×0.0140×103F=1×10-6F=1F 取 1F。6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=3時(shí)，由表2-3查得，n=52.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表2-3是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，A

24、SR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況下重新計(jì)算超調(diào)量。 ASR飽和時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程表2-3 典型 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3% 2.4012.1532.6511.6522.859.5523.010.4513.111.3013.212.2513.313.2513.3514.201是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)7.按退飽和情況計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)量設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)z=0，由已知數(shù)據(jù)有：=2，R=0.2，IdN=205A，nN=575r/min，Ce=0.3470Vmi

25、n/r，Tm=0.0997s，Tn=0.0154s，當(dāng)h=3時(shí)，由表2-4查得CmaxCb=72.2%，代入式，可得n=2CmaxCb-znNn*TnTm=2×72.2%×2×205×0.20.347575×0.01540.0997=9.17%<10%能滿足設(shè)計(jì)要求。表2-4典型 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 h3 45678910 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.6077.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.8084.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588

26、.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85由表中的數(shù)據(jù)可見， h值越小， Cmax/Cb也越小，tm 都短，因而抗擾性能越好。當(dāng)h<5時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加,h 再小，恢復(fù)時(shí)間 反而拖長。 h=5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間Ts 最短的條件是一致 2.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-9所示，圖中Un*為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓Ui*。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為Kn=RnR0n=RnCnTon=14R0Con圖2-9 含給定濾波與反

27、饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器U*n 轉(zhuǎn)速給定電壓；n 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓； U*i 電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。 第三章 系統(tǒng)仿真本設(shè)計(jì)運(yùn)用Matlab的Simulink來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)教科書上軟件使用說明和圖3-1以及上面計(jì)算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立起直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖3-2所示。系統(tǒng)運(yùn)行，空載及突加額定負(fù)載時(shí)得到系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速仿真曲線，如圖3-3、3-4。Toi電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)； Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)圖3-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.2電腦軟件顯示圖3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)空載仿真圖3.31空載 轉(zhuǎn)速檢測(cè)波形3.32空載 電流檢測(cè)波形圖3-3空載起動(dòng)

28、轉(zhuǎn)速、電流仿真圖形圖3-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)帶負(fù)載擾動(dòng)的模擬仿真圖3.41帶負(fù)載擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速 電流仿真波形結(jié)論啟動(dòng)過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實(shí)際仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行的設(shè)計(jì)，選擇了調(diào)節(jié)器的類型，給出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行了仿真和分析。在充分發(fā)揮電機(jī)過載能力的同時(shí)，可以獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，在實(shí)際工程中有一定的應(yīng)用價(jià)值。造成系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法與仿真實(shí)驗(yàn)之間有差距的原因，（a）工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過程中做了許多近似的處理，而這些簡(jiǎn)化處理在一定的條件下才能成立。（b)仿真實(shí)驗(yàn)在建立模型過程中忽略了許多非線性因素和次要因素。（c）用Matlab/simulink軟件是控制系統(tǒng)的一種功能完善，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制容易，構(gòu)造