CDIO調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性圖1-1是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和電流負(fù)反應(yīng)， 這是為 了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用。 二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，或稱串級聯(lián) 接。+從閉環(huán)構(gòu)造上看，電流環(huán)在里面，稱作環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)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)。1.1穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖及其靜特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖，如圖1-2。Id圖1-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)構(gòu)造圖a轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)；b 電流反應(yīng)系數(shù)這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果 到達(dá)限幅值就是飽和

2、，輸出如果沒有到達(dá)限幅值就是不飽和。當(dāng)輸出為恒值，輸 入量的變化不會再影響輸出時，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng)PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總是等于零時，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時，轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和輸出時，負(fù)載電流 到達(dá)最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性 顯然比帶電流截止負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。1.2系統(tǒng)動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)造圖如圖1-3所示：圖1-3雙閉環(huán)直

3、流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)造圖在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的 情況。為了使系統(tǒng)同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計(jì)適宜的動態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就可以完成動態(tài)校正的任務(wù)。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并且具有足夠的快 速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度， 但是快速性卻不高；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后一超前校正那么兼有二者的優(yōu)點(diǎn)， 可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜 叫一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快

4、速性的要求可以差一 些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原那么是：先設(shè)計(jì)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流 調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。1.3參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中主要采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的根本思路先選擇調(diào)節(jié)器的構(gòu)造，確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制的一般原那么是：從環(huán)開場，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展，本設(shè) 計(jì)中先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后將電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速環(huán)的一個 環(huán)節(jié)，再進(jìn)展轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系

5、統(tǒng)1、設(shè)計(jì)指標(biāo)：1）靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2）動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 ： 5% ;空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n% 10%。2、電機(jī)根本數(shù)據(jù)如下：1）電樞電阻Ra = 1.5 p2）電機(jī)額定電流=3.24A ;3）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n= 1450r/min ;4）電樞回路總電阻R=4P;5回路總電感 =2 mH。3、其它參數(shù)計(jì)算1CeUn=0.0338 V min/rnN2Cm=30Ce/ =0.3236N min/r3Tmgd2r375CeCm= 0.02903s4Tl= L/R =0.0005s5控制電壓Uc的調(diào)節(jié)圍是010V，由于是雙極性控制，所以 Uc=5V ;整流電壓Ud的變化圍是054VK

6、s=54/5=10.86電流反應(yīng)系數(shù)設(shè)最大允許電流1 dm = 1.5IN，限幅值Uim，定為10V,電壓給定Unm也為10V。那么 Idm=1- 53 24 =4.86AUm= 10/4.86=4.44V/Admnm7速度反應(yīng)系數(shù)= 10/1450=0.0069V min/rn max1.4電流環(huán)的設(shè)計(jì)將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)叫）A-ACR丿3(z+ixr+1)1、選擇電流調(diào)節(jié)器構(gòu)造可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為Wacr(s)KiiS 1iS式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。2、選擇電流調(diào)節(jié)

7、器的參數(shù)ACR超前時間常數(shù)i0.0005s ;電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求i 5% ,故應(yīng)取KT i 0.5，因此0.5T咚6666. 67s0. 0001167于是，ACR的比例系數(shù)為：kRKS6666.670.63、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:ci16666. 67s1PWM裝置傳遞函數(shù)近似條件:ci13Ts3Ts30. 000056666. 67S 1ci滿足近似條件;2忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件:ci3TmT,331 0. 029030. 0005249s 1ci滿足近似條件;3小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:9428. 1S1 131 TsGci滿足近似條件4計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電

8、阻為R。40k ，各電阻和電容值計(jì)算如下R KR 0.6 40k24k ,取 24kC J 0. 0005106 F 0.0208 F,取 0.02 FR 241034Toi4 0. 00006676Coi?3106 F 0. 00667 F，取 0. 00670 FR040 101.5轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1、確定時間常數(shù)1轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton0. 001S2轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理Tn2TiTom0. 00115s2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器構(gòu)造按跟隨和抗擾性能都能較好的原那么，在負(fù)載擾動點(diǎn)后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動作用點(diǎn)以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié)，因此需要U由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必

9、須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型U型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR( S)KnnS 13、選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原那么取 h 5，那么ASR超前時間常數(shù)為hTn 5 0. 00115s0.00575s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:2h2T2n6250.00115290737 24sASR的比例系數(shù):Kn(h 1) CeTm2h RTn42.484、近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為:Kncn1Kn n 521.73s1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:cn132519.4s現(xiàn)在cn滿足簡化條件2轉(zhuǎn)速小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:cn1 Ki3 Ton現(xiàn)在860. 66s 1cn滿足近似條件3計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻 Ro 40k ，那么CnConKnR0onR042.4840k1699. 2k，取 1700k空警10617001034 °.001 10640103F 0. 00338 F ,取 0.00340 FF 0. 1 F，取 0.1 F檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查表得，.=37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按 線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該 按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動時，負(fù)載系數(shù)z=0。n當(dāng)