自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)---高壓變頻技術(shù)在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、精品文檔1 現(xiàn)場(chǎng)工藝簡(jiǎn)介1.1 水泥生產(chǎn)工藝水泥的生產(chǎn)步驟，可分為以下八個(gè)步驟：原料的提取采礦原料的破碎原料的儲(chǔ)存和預(yù)均化原料的粉磨球磨機(jī)生料的均化和儲(chǔ)存煅燒生料通過(guò)旋風(fēng)筒預(yù)熱后再進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯烘烤物料，煅燒成熟料水泥的粉磨根據(jù)水泥的品質(zhì)，混合其他的化學(xué)原料粉磨水泥 的儲(chǔ)存與運(yùn)輸 其中物料的粉磨工藝流程是：電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)磨盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料從下料口落到磨盤(pán)中央，在離心力的作用下向磨盤(pán)邊緣移動(dòng)并受到磨輥的碾壓，粉碎后的物料離開(kāi)磨盤(pán)，被高速向上的氣流帶至與立磨一體的別離器，粗粉經(jīng)別離器后返回到磨盤(pán)上，重新粉磨；細(xì)粉那么隨氣流出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置中收集下來(lái)。收塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速收塵器所需風(fēng)量主要由管磨機(jī)內(nèi)工

2、藝情況產(chǎn)量及粉的細(xì)度決定圖1-1 水泥生產(chǎn)工藝圖2 收塵風(fēng)機(jī)的選擇 收塵機(jī)參數(shù)： 電動(dòng)機(jī)參數(shù)： 熱變電阻柜參數(shù)： 變頻器技術(shù)指標(biāo)：型號(hào)：Y4-73 No31.5F 型號(hào)：Y6304-8 型號(hào)：HTR 5-2 型號(hào)：Harsvert-A06/220流量：456200m3/h 額定電壓：6000V 額定功率：470KW 輸入電壓：6000V風(fēng)壓：352kPa 額定電流：55A軸轉(zhuǎn)速：900r/min 額定頻率：50Hz3 各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分析 變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分析不象直流調(diào)速系統(tǒng)那樣概念清楚，解析直觀，其推導(dǎo)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，只能借助于計(jì)算機(jī)去求解。為了簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程，做了理想化假設(shè)：1.異步電動(dòng)機(jī)

3、為理想的電機(jī)，即無(wú)鐵耗、無(wú)風(fēng)阻、無(wú)磨擦、各相磁勢(shì)是正弦量，對(duì)應(yīng)某頻率時(shí)電機(jī)所有參量為常量。2.可控硅整流器和電抗器組成一個(gè)理想的可調(diào)電流原，其阻抗為無(wú)窮大。3.把逆變器看作一個(gè)理想開(kāi)關(guān)，即假設(shè)其膦理想變頻電流源。4.設(shè)給定不變，系統(tǒng)工作于某頻率。5.動(dòng)態(tài)時(shí)恒壓頻比關(guān)系仍存在，即氣隙磁通始終保持不變，由于系統(tǒng)設(shè)置了微分校正環(huán)節(jié)，所以這種假設(shè)是成立的。由于作了以上假設(shè)，對(duì)于圖1的系統(tǒng)，電壓和頻率是協(xié)調(diào)工作的兩個(gè)通道，這樣就可以在分析電壓環(huán)時(shí)，不考慮頻率通道。此時(shí)，函數(shù)發(fā)生器的輸出電壓相當(dāng)于在變頻調(diào)速中為保證電機(jī)恒壓頻比所需要的電壓。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流給定值，控制電流閉環(huán)?？梢哉J(rèn)為依靠電流和電

4、壓的反應(yīng)調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而得到近似直流電動(dòng)機(jī)調(diào)電樞電壓調(diào)速時(shí)的特性。3.1 電流源動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)逆就器給異步機(jī)供電時(shí)，對(duì)于120度導(dǎo)電型同時(shí)有兩個(gè)可控硅導(dǎo)通，整流器也是如此，電流根本上總是同時(shí)流過(guò)整流變壓器的電動(dòng)機(jī)，如所示。RBLBRBLB整流變壓器整流器逆變器電動(dòng)機(jī)+ Ld-rdI1圖3-1 變流器對(duì)電動(dòng)機(jī)供電的等效電路圖顯然此環(huán)節(jié)輸入量電壓Ud，輸出量是I1，其動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)為： 3-1其中 反應(yīng)信號(hào)為電壓時(shí)電機(jī)等效傳遞函數(shù)從異步電動(dòng)機(jī)的等值電路可得到： 3-2由前假設(shè)可知，在額定負(fù)載時(shí)，歸算過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)子電路根本上成為電阻性的，所以轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)很高，在滿載情況下，Im可以忽略，這時(shí)

5、有 3-3在電流型逆變器中，逆變器的可控量是異步電動(dòng)機(jī)的定子電流。根據(jù)3-3式知道，確定了定子電流就確定了轉(zhuǎn)子電流，也就確定了轉(zhuǎn)矩。由于，所以異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 3-4根據(jù)電動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式并考慮到3-4式可得 3-5又有U1E1=Ken 代入上式得對(duì)上式兩邊取拉氏變換即可得到電機(jī)的等效傳遞函數(shù)：I1-IfzS=TmU1SS即 3-6其中 ，是電動(dòng)機(jī)積分時(shí)間常數(shù)。3.2 可控硅及觸發(fā)電路傳遞函數(shù)可控硅及觸發(fā)電路的傳遞函數(shù)和直流整流系統(tǒng)一樣。整流器的整流電壓是輸出量，電流調(diào)節(jié)器輸出即觸發(fā)器的控制電壓Uk是輸入量，其傳遞函數(shù)為：WS=Ks/1+TsS其余反應(yīng)五一節(jié)的傳遞函數(shù)和直流系統(tǒng)一樣。通過(guò)以上

6、各環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)分析，我們可以畫(huà)出整個(gè)電壓通道的的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。顯然該系統(tǒng)為雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。從以上分析可見(jiàn)，根本思想是將異步機(jī)分析直流化。對(duì)于籠形電動(dòng)機(jī)，它的勵(lì)磁電流和有效電流均由定子電流產(chǎn)生，這里是忽略了勵(lì)磁電流的影響，僅考慮其有效電流，它相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電源電流，從而得到與直流相近似的傳遞函數(shù)Ug + Ufv Ugi + Ufi Ui Ud I1 IfzU1 圖3-2 電壓通道的的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.3 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法及舉例由以上分析可見(jiàn)，變頻調(diào)速系統(tǒng)的電壓通道是和直流機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相似的雙閉環(huán)系統(tǒng)，因此其調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)完全可以套用直流調(diào)速系統(tǒng)的

7、設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)以軋機(jī)輥道傳動(dòng)交流電機(jī)變頻可逆調(diào)速系統(tǒng).為例進(jìn)行說(shuō)明，系統(tǒng)組成如圖1-1所示，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。系統(tǒng)參數(shù)為：異步電動(dòng)機(jī)為JG2-52-13，20臺(tái)并聯(lián)，Ped=420，留余量取100KW；Ued=380V；Ied=11.420，取250A；ned=630r/min；f=50HZ；Y形接法；實(shí)測(cè)電機(jī)帶輥道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2=20kgm2；rd=0.5，Ld=10Mh；r1+r2=2.5；L1+L2=7.04Mh；2rB=0.25；LB=0.14mh。給定值、電壓調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器限幅值及對(duì)應(yīng)電壓反應(yīng)和電流反應(yīng)的額定值均整定為10V。4 系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)4.1 校正的根本方法動(dòng)態(tài)

8、校正的方法很多，而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反應(yīng)校正。串聯(lián)校正比擬簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。PID調(diào)節(jié)器中有比例微分 PD、比例積分 PI和比例積分微分 PID三種類(lèi)型。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，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；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，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后超前校正那么兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面

9、提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用 PD調(diào)節(jié)器；在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PI或PID調(diào)節(jié)器。在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖 ，即開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱?，伯德圖是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法4.2 校正的根本原理在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響。在伯德圖上，用來(lái)衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指

10、標(biāo)是：相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 GM. 一般要求=3060，GM6dB保存適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過(guò)程振蕩弱、超調(diào)小。在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同，這并不影響對(duì)系統(tǒng)性能的定性分析。圖,.3繪出了自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖，從其中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：1中頻段以.-40db/dec的斜率穿越0db線，而且這一斜率能覆蓋足夠的頻帶寬度，那么系

11、統(tǒng)的穩(wěn)定性好。2） 截止頻率 或稱(chēng)剪切頻率!d越高，那么系統(tǒng)的快速性越好。3） 高頻段的斜率陡、增益高，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。4） 高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。設(shè)計(jì)時(shí)往往須用多種手段，反復(fù)試湊。在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比擬滿意的結(jié)果。采用微處理器數(shù)字控制后，控制器不一定是線性的，其結(jié)構(gòu)也不一定是固定的，可以很方便地應(yīng)用各

12、種控制策略，解決矛盾就容易多了，具體設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇根本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)，形成根本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱(chēng)原始系統(tǒng)。然后，建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫(huà)出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動(dòng)態(tài)性能。如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定或動(dòng)態(tài)性能不好，就必須配置適宜的動(dòng)態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足所要求的性能指標(biāo)。4.3 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 圖4-1 PI調(diào)節(jié)器線路圖本次設(shè)計(jì)使用的是PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的性能及原理為，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正裝置，常用 PI調(diào)節(jié)器。采用模擬控制時(shí)，可用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路圖如圖4-1所示。圖中Uin和 Uex分別表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出電壓的絕對(duì)值，圖中所

13、示的極性說(shuō)明它們是反相的；Rbain為運(yùn)算放大器同相輸入端的平衡電阻，一般取反相輸入端各電路電阻的并聯(lián)值，按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得Uex= (4-1) 式中 調(diào)節(jié)器比例局部的放大系數(shù)， 調(diào)節(jié)器比例局部的放大系數(shù)，由此可見(jiàn)，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓 Uex由比例和積分兩局部疊加而成。當(dāng)初始條件為零時(shí)，取式4-1兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)W (4-2)在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性如圖4-2所示，從這個(gè)特性可以看出比例積分作用的物理意義。突加輸入電壓 Uin時(shí)，輸出電壓Uex首先突跳到 KpitUin，保證了一定的快速響應(yīng)。但Kpit是小于穩(wěn)態(tài)性能

14、指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù) Kp的，因此快速性被壓低了，換來(lái)對(duì)穩(wěn)定性的保證。如果只有Kpit的比例放大作用，穩(wěn)態(tài)精度必然要受到影響，但現(xiàn)在還有積分局部。在過(guò)渡過(guò)程中，電容 C1由電流j,恒流充電，實(shí)現(xiàn)積分作用，使 Uex線性地增長(zhǎng)，相當(dāng)于在動(dòng)態(tài)中把放大系數(shù)逐漸提高，最終滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求。如果輸入電壓 Uin一直存在，電容C1就不斷充電，不斷進(jìn)行積分，直到輸出電壓 Uex到達(dá)運(yùn)算放大器的限幅值 Uexm時(shí)為止，稱(chēng)作運(yùn)算放大器飽和。為了保證線性放大作用并保護(hù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，對(duì)運(yùn)算放大器設(shè)置輸出電壓限幅是非常必要的。在實(shí)際閉環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的 Uin=0，積分過(guò)程就停止了。4.4

15、利用PI調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)校正原始系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)在這里， ，因此分母中可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)取為于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是相應(yīng)的閉環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性繪于圖4-2其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率 或稱(chēng)交接頻率分別為 由圖4-2可見(jiàn)，相角裕度和增益裕度HN 都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。和用代數(shù)判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。圖4-2 原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)伯德圖為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)置PI調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)時(shí)須繪出其對(duì)數(shù)頻率特性?？紤]到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為 Kp的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的根底上新添加局部的傳遞函數(shù)應(yīng)為相應(yīng)的對(duì)數(shù)頻率特性如圖4

16、-3所示。鑒于Kpi1/Kp，所以對(duì)數(shù)幅頻特圖4-3調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)根底上添加局部的對(duì)數(shù)頻率特性性的 低 頻 部 分 斜 率 首 先 是 積 分 環(huán) 節(jié) 的-20db/dec，在頻率,1/Kp處穿越0db線，然后起作用的才是比例微分環(huán)節(jié)，在1/Kp處向上轉(zhuǎn)折，斜率變成0db/dec。與此相應(yīng)，可畫(huà)出對(duì)數(shù)相頻特性。將圖4-2和圖4-3畫(huà)在同一張坐標(biāo)紙上，然后相加，即得校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。由于必須在確定Kpi和值以后，才能具體畫(huà)出圖4-4實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對(duì)數(shù)頻率特性，與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性。具體的設(shè)計(jì)方法是很靈活的，有時(shí)須

17、反復(fù)試湊，才能得到滿意的結(jié)果。 圖4-3 PI調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)根底上添加局部的對(duì)數(shù)頻率特性圖4-4 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正原始系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性 校正環(huán)節(jié)添加局部的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性 校后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性對(duì)于本例題的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用比擬簡(jiǎn)便的方法。由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù) K過(guò)大，截止頻率過(guò)高，應(yīng)該設(shè)法把它們壓下來(lái)。因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率1/Kpi設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率&d,處 如圖4-4所示。為了方便起見(jiàn)，可令 Kpi=T1使校正裝置的比例微分項(xiàng) 原始系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié) 對(duì)消 并 非必須如此，從而選定其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠

18、的穩(wěn)定裕度，它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以-20db/dec的斜率穿越0db線，必須把圖4-4中的原始系統(tǒng)特性壓低，使校正后特性的截止頻率 這樣，在 處，應(yīng)有根據(jù)以上兩點(diǎn)，校正環(huán)節(jié)添加局部的特性就可以確定下來(lái)了。由圖4-4的原始系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性可知因此代入數(shù)據(jù)，得取 為了使 在特性上查得相應(yīng)的L1=3.15db,因而L2= -3.15從特性可以看出所以 因此 而且 于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 那么從圖上可以看出，校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo) 和增益裕度GM都已變成較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度，而截止頻率降到 快速性被壓低了許多，顯然這是一個(gè)偏于穩(wěn)定的方案。5 體會(huì)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)的的經(jīng)歷，我既學(xué)會(huì)自動(dòng)控制原理的有關(guān)理論，又在設(shè)計(jì)的