雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、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、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、 應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用 PI 調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。 但是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高的系統(tǒng)，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要了。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)， 關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)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(guò)程。所以，我們希望達(dá)到的控制：?jiǎn)?dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，沒(méi)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，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩

2、個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)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)。圖 1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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)速系統(tǒng)原理圖如圖 1-2 所示。圖中 ASR為轉(zhuǎn)速

3、調(diào)節(jié)器， ACR為電流調(diào)節(jié)器， TG 表示測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA表示電流互感器， UPE是電力電子變換器。 圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器出入輸出電壓的實(shí)際極性， 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的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。圖 1-2雙閉環(huán)直流調(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)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(huà)線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流

4、反饋的作用互相交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)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(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，即。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(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，也就是說(shuō)，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)作用的近似條件是式中-電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。圖 2-1忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響時(shí)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如果把給定濾波

5、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，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)為則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖2-3。簡(jiǎn)化的近似條件為圖 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(wú)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?gòu)膭?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

6、時(shí)有太大的超調(diào)， 以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)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(xiě)成式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 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)。三相橋式電路的平均失控時(shí)間。2）電流濾波時(shí)

7、間常數(shù)。取。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。4）電磁時(shí)間常數(shù)、機(jī)電時(shí)間常數(shù)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。；2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)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)=檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ，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)都是可以接受的。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)：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： 。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，按表2-2，應(yīng)取，因此于是， ACR的比例系數(shù)為表 2-2 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能

8、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：（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。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，各電阻和電容值為，取 58取 0.65 取 0.1按照上述參數(shù)， 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，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。圖中為電流給定電壓，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，

9、可以容易地導(dǎo)出圖 2-5 含給定濾波與反饋濾波的PI 型電流調(diào)節(jié)器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)。由圖 2-4 可知忽略高次項(xiàng)，可降階近似為近似條件為式中 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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 (s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為這樣，原來(lái)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)的一階慣性環(huán)節(jié)。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)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)

10、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)/，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(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中則轉(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)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)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)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見(jiàn)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(kāi)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(jiàn)，

11、ASR也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為則不考慮負(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，則2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) : 根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取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3. 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

12、超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益ASR的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件滿足簡(jiǎn)化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足近似條件。5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖 2-9，取，則取 424取 0.11取 1。6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng) h=3 時(shí)，由表 2-3 查得，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)， ASR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。表 2-3 典型 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)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：，當(dāng) h=3 時(shí)，由表2-4

13、查得，代入式，可得能滿足設(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，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓， 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。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為圖 2-9 含給定濾波與反饋濾波的PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器第三章系統(tǒng)仿真本設(shè)計(jì)運(yùn)用Matlab 的 Simulink 來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)圖3-1 以及上面計(jì)算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立直流雙閉環(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

14、-4。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)框圖圖 3-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模擬仿真圖圖 3-3 空載起動(dòng)轉(zhuǎn)速、電流仿真圖形圖 3-4 帶負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)速、電流仿真圖形心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí) ,發(fā)現(xiàn) ,提出 ,分析和解決實(shí)際問(wèn)題 ,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié) ,是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異， 雙閉環(huán)直流調(diào)速已經(jīng)成為當(dāng)今電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說(shuō)是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說(shuō)掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速技術(shù)是十分重要的。回顧起此次課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在將近兩星期的日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多的東西， 不僅鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 只有把所學(xué)的