直流雙閉環(huán)系統(tǒng)設計

1、武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計學號：0121111360105課程設計題目直流雙環(huán)系統(tǒng)（一）及仿真分析（五）學院自動化學院專業(yè)自動化專業(yè)班級姓名指導教師2014年7月2日課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位：自動化學院題 目: 直流雙環(huán)系統(tǒng)（一）的設計及仿真分析（五）初始條件：已知電動機參數(shù)：電動勢系數(shù)電樞回路總電阻觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)電磁時間常數(shù)機電時間常數(shù)電流與轉速反饋濾波時間常數(shù)；額定轉速時的給定電壓調(diào)節(jié)器，飽和輸出電壓。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）試設計該轉速、電流雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)（由三相半波相控變流裝

2、置供電），要求系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=10，穩(wěn)態(tài)轉速無差，電流超調(diào)量，空載啟動到額定轉速時的轉速超調(diào)量。畫出系統(tǒng)結構框圖并計算：(1) 電流反饋系數(shù)（啟動電流限制在以內(nèi)）和轉速反饋系數(shù)；(2) 設計電流調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（取）；(3) 設計轉速調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（?。?；(4) 讓電機空載啟動到額定轉速，穩(wěn)定運行后電動機磁場減少一半，觀察并錄下電機的轉速、電流等的波形，并進行分析。時間安排：2014.6.21 布置課程設計題目 2014.6.22 - 6.27 完成課程設計 2014.628 - 7.1 撰寫課程設計報告 2014.7.2 答辯并上交報告指導教師簽名： 年 月 日系

3、主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要.11 課程設計要求.21.1初始條件.21.2 要求完成的任務.22 直流雙環(huán)系統(tǒng)設計.32.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成.32.2閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構.52.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構.52.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用.63系統(tǒng)參數(shù)計算.73.1 系統(tǒng)參數(shù)選取及設計.73.2 電流環(huán)的設計.73.3 轉速環(huán)的設計.84 MATLAB仿真.114.1系統(tǒng)仿真結構圖.114.2 系統(tǒng)仿真結果及分析.124.2.1 系統(tǒng)仿真結果.124.2.2 系統(tǒng)空載啟動分析.124.2.3系統(tǒng)穩(wěn)定運行電磁減半分析.135 總結.146 參考文獻

4、.15本科生課程設計成績評定表.16摘要本課程設計是設計一個轉速、電流雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)。轉速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)是靜態(tài)特性和動態(tài)特性優(yōu)良、應用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。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(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋,二者之間實行嵌套聯(lián)接。本設計介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，轉速環(huán)、電流環(huán)的設計，最后使用Matalab中的Simulink對系統(tǒng)進行仿真驗證。關鍵詞：雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)、轉速環(huán)、電流環(huán)、Matalab1課程設計要求1.1初始條件已知電動機參數(shù)：電動勢系數(shù)電樞回路總電阻觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)電磁時間常數(shù)

5、機電時間常數(shù)電流與轉速反饋濾波時間常數(shù)；額定轉速時的給定電壓調(diào)節(jié)器，飽和輸出電壓。1.2要求完成的任務試設計該轉速、電流雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)（由三相半波相控變流裝置供電），要求系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=10，穩(wěn)態(tài)轉速無差，電流超調(diào)量，空載啟動到額定轉速時的轉速超調(diào)量。畫出系統(tǒng)結構框圖并計算：（1）電流反饋系數(shù)（啟動電流限制在以內(nèi)）和轉速反饋系數(shù)；（2）設計電流調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（?。?；（3）設計轉速調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（?。唬?）讓電機空載啟動到額定轉速，穩(wěn)定運行后電動機磁場減少一半，觀察并錄下電機的轉速、電流等的波形，并進行分析。2直流雙環(huán)系統(tǒng)設計2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成雙

6、閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、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。采用轉速負反饋和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、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負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。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時

7、的電流和轉速波形如圖2-1a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，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)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）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)帶電流截止負反

8、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2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形實際上，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反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負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反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(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速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別

9、起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)結構上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、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

10、2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.2閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構如圖2-3所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定的最大值，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。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動

11、態(tài)結構圖如圖2-4所示，圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉速調(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)結構框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。圖2-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用1)轉速調(diào)節(jié)器的作用（1）使轉速n跟隨給定電壓Um*變化，當偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）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（1）在轉速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓Ui*變化。（2）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。（3）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。（4）當電機過載甚至

12、于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。3.系統(tǒng)參數(shù)計算3.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設計整流裝置的滯后時間常數(shù)Ts。三相半波電路的平均失控電壓Ts=12mf=0.00333。電流反饋系數(shù)。轉速反饋系數(shù)。3.2電流環(huán)的設計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。（2）根據(jù)設計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)無誤差，因此選擇型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表，可知道該典型I型系統(tǒng)動態(tài)性能各項指標都是可以接受的。（3）計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要

13、求5%時，由典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系表可知，應取,因此于是的比例系數(shù)為（4）檢驗近似條件電流環(huán)節(jié)截止頻率為：1) 晶閘管傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件2) 忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件3) 電流環(huán)小時間常數(shù)處理滿足近似條件。（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容因為，所以各電阻和電容值為：Ri=KiR0=0.238×40k=9.52k參照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%5%，滿足設計要求所以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為3.3速度環(huán)的設計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等小時間常數(shù)。=2 =2×0.0055s=0.011S轉速環(huán)小時間常數(shù)。

14、按小時間常數(shù)近似處理，取=+ =0.011+0.014=0.025s（2）轉速調(diào)節(jié)器結構按照設計要求，選用調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）計算轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時間常數(shù)為轉速開環(huán)增益于是的比例系數(shù)為(4)檢驗近似條件轉速截止頻率為1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件滿足近似條件2） 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似條件為滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由于，所以各個電阻和電容值為：（6）校核轉速超調(diào)量當時，由典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標表查得，=52.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標表是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，飽和，不符合線

15、性系統(tǒng)的前提，應該按退飽和的情況重新計算超調(diào)量。由典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表查得當時，所以能滿足設計要求所以，根據(jù)上述參數(shù)，速度環(huán)傳遞函數(shù)為4.MATLAB仿真Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。4.1系統(tǒng)仿真結構圖根據(jù)計算得到的參數(shù)，在MATLAB中的Simulink環(huán)境中對系統(tǒng)進行仿真，總結構圖如圖3-1，轉速環(huán)ASR內(nèi)部結構如圖3-2，電流環(huán)ACR內(nèi)部結構如圖3-3所示：圖4-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結構

16、圖圖4-2 ASR結構圖圖4-3 ACR結構圖4.2系統(tǒng)仿真結果及分析4.2.1系統(tǒng)仿真結果本設計中是電機空載啟動到額定轉速，穩(wěn)定運行后電動機磁場減少一半。仿真運行結果如圖3-4所示：圖4-4仿真波形圖如上圖所示，圖中上一條圖線所表示的是轉速的波形，下一條是電流波形。4.2.2系統(tǒng)空載啟動分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)空載空載啟動時，突加給定電壓，電流上升。由于機電時間常數(shù)Tm比電磁時間常數(shù)Tl大得多，即電機機械慣性比電磁慣性大得多，所以轉速仍然為0,則轉速n=0，轉速反饋電壓Un=0，因而轉速偏差電壓Un = Un* - Un很大，使轉速調(diào)節(jié)器WASR進入飽和狀態(tài)，轉速調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值Uim*。

17、此階段電流調(diào)節(jié)器試圖按照電流設定值Ui*將電樞電流Id調(diào)節(jié)到電流最大值Idm，所以電流迅速上升，而轉速的增加較小。接下來是恒流升速階段。經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，電樞電流被調(diào)節(jié)到Idm，以充分利用電動機的過載能力，使電機產(chǎn)生最大轉矩加速。電機轉速迅速上升。此階段由于轉速小于給定值，Un*大于Un，誤差Un始終小于零，所以轉速調(diào)節(jié)器一直處于飽和狀態(tài)，其輸出一直保持Uim*。電流調(diào)節(jié)器給定一直為Uim*，因此在電流環(huán)定值控制作用下，Id保持Idm，電磁轉矩保持最大值，電機恒加速度升速。最后是轉速調(diào)節(jié)階段。上一階段結束后，電機轉速到達給最大值，并超過額定值，由于轉速大于給定值，Un*小于Un，誤差U

18、n始終大于零，所以轉速調(diào)節(jié)器一直退飽和，其輸出小于Uim*。電流調(diào)節(jié)器給定一直小于Uim*，因此在電流環(huán)定值控制作用下，Id開始下降，轉速也開始下降，經(jīng)過一段時間的調(diào)節(jié)，轉速穩(wěn)定在額定轉速，由于電動機空載，負載轉矩為零，電磁轉矩也為零，所以電流最后穩(wěn)定為零值。4.2.3系統(tǒng)穩(wěn)定運行電磁減半分析在仿真中，設定系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間，將電動機磁場減半。磁場減半后，Tm擴大四倍，Ce縮小一倍，同時負載電流擴大一倍。由于在仿真中是沒有電動機的，所以通過改變這些因磁場減半而變化的參數(shù)的值來模擬磁場減半。如圖3-4所示，電動機轉速瞬間上升到2000min/r，是額定值的2倍，同時電流也發(fā)生了很大的變化。通過觀察波形圖可知，最后轉速很快穩(wěn)定在額定值，電流也變?yōu)榱?，即穩(wěn)定在電磁減半之前的狀態(tài)，這是因為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的存在。5.總結本次課程設計是根據(jù)給定的初始值設計一個雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，并進行仿真驗證。經(jīng)過了一段時間的努力，終于完成了這個課程設計，并且很好的滿足課題要求。在完成課程設計的過程中，雖然遇到了一些困難，也發(fā)費了不少時間，但是從中學到了大量