轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計

1、 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計 題目:轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計1. 設(shè)計題目轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計2. 設(shè)計任務(wù)已知某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)如下：1） 直流電動機(jī)：160V、120A、1000r/min、Ce=0.136Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.42） 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=303） 電樞回路總電阻：R=0.44） 時間常數(shù)：Tl=0.023s，Tm=0.2s，轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié)時間常數(shù)Ton取0.01s5） 電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的給定電壓均為10V試按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)

2、器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并用Simulink建立系統(tǒng)模型，給出仿真結(jié)果。系統(tǒng)要求：1） 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差2） 動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i 5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時超調(diào)量n 10%3. 設(shè)計要求根據(jù)電力拖動自動控制理論，按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的步驟如下：1） 設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)；2） 在簡化電流環(huán)的條件下，設(shè)計速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將速度環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)；3） 進(jìn)行Simulink仿真，驗證設(shè)計的有效性。4.設(shè)計內(nèi)容1） 設(shè)計思路：帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)，由于它能夠隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)的改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化，所以相對開環(huán)系統(tǒng)它能

3、夠有效的減少穩(wěn)態(tài)速降。當(dāng)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用帶比例放大器時，它依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的，因此是有靜差率的調(diào)速系統(tǒng)，而比例積分控制器可使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。對電機(jī)啟動的沖擊電流以及電機(jī)堵轉(zhuǎn)時的堵轉(zhuǎn)電流，可以用附帶電流截止負(fù)反饋作限流保護(hù)，但這并不能控制電流的動態(tài)波形。按反饋的控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該基本量基本不變，采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。另外，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)速。例如，在帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)中，同一調(diào)節(jié)器擔(dān)負(fù)著正常負(fù)載時的速度調(diào)節(jié)和過載

4、時的電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程均具有良好的動態(tài)品質(zhì)。按照電機(jī)理想運(yùn)行特性，應(yīng)該在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速反饋，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性就在于當(dāng)負(fù)載電流小于最大電流時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用，當(dāng)電流達(dá)到最大值時，電流負(fù)反饋起主要作用，得到電流的自動保護(hù)。2)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成：a. 系統(tǒng)電路原理圖圖2-1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(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。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)

5、。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。b. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。由測速發(fā)電機(jī)

6、得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。3） 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的ACR：設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計好電流調(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)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。a.確定時間常數(shù)整流濾波時間常數(shù)Ts，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s；電流濾波時間常數(shù)Toi，三相橋式電路每個波頭的時間是0.0033s，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12）Toi=0.0033s，因此取To

7、i=2ms=0.002s；電流環(huán)小時間常數(shù)Ti，按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。b.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由設(shè)計要求：i%5%，并保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流無誤差，因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為: WACR(s) =c.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率；晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為： =196.1，滿足近似條件；忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件為： =44.2，滿足近似條件；小時間常數(shù)近似條件處理條件為： =180.8， 滿足近似條件。d.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理如圖31所示，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計算如下： ，取30k。

8、，取0.75。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：i%=4.5%<5%，滿足設(shè)計4）按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的ASR：a.確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)為；轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton ，根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)波紋情況，取Ton=0.01s；轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)近似處理，取=。b選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計速度環(huán)，故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：c.計算速度調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： 于是，ASR的比例系數(shù): =12.9d.校驗近似條

9、件由轉(zhuǎn)速截止頻率：;電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： ,滿足簡化條件;轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件為： ,滿足近似條件。e.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理圖如圖32所示，取，則，取550k。，取0.150。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：當(dāng)h=5時，查表得%，雖然不滿足設(shè)計要求，而實際上，突加階躍給定時，ASR飽和，應(yīng)按退飽和的情況重新計算超調(diào)量，實際%,滿足設(shè)計要求。5）內(nèi)、外開環(huán)對數(shù)幅頻特性的比較圖41把電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性畫在一張圖上，其中各轉(zhuǎn)折頻率和截止頻率依次為： ， ， ， 。以上頻率一個比一個小，從計算過程可以看出，這是必然的規(guī)律。因此，這樣設(shè)計的雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)一定

10、比內(nèi)環(huán)慢。一般來說，。從外環(huán)的響應(yīng)速度受到限制，這是按上述方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)時的缺點。然而，這樣一來，每個環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。總之，多環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計思想是：以穩(wěn)為主，穩(wěn)中求快。6） 晶閘管的電壓、電流定額計算a.晶閘管額定電壓UN 晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，即按下式選取UN（23）Um，式中系數(shù)23的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對可靠性的要求程度而定。b.晶閘管額定電流IN 為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效

11、值大于流過元件實際電流的最大有效值?？砂聪率接嬎悖篒N=(1.52)KfbIMAX。式中計算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)=0時，三相全控橋電路Kfb=0.368,故計算的晶閘管額定電流為IN=(1.52)KfbIMAX =(1.52) ×0.368×(220×1.5)=182.16242.88A，取200A。7)平波電抗器計算由于電動機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而計算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。a.電樞電感量LM按下式計算P電動機(jī)

12、磁極對數(shù)，KD計算系數(shù)，對一般無補(bǔ)償電機(jī)：KD=812。b.整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計算U2變壓器次級相電壓有效值，Id晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流，KB與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)。c.變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)時電抗器電感量L按下式計算，K是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則L17.01(mH).6） 進(jìn)行Simulink仿真，驗證設(shè)計的有效性a. 電流閉環(huán)的仿真如下圖：為了研究系統(tǒng)的參數(shù)對動態(tài)性能的影響，分別取KI TSi =0.39、0.50、0.69、1.00，此時KI的值也會隨之變化，運(yùn)行仿真，即可得不同KI值的

13、階躍響應(yīng)曲線： 圖6-1 KT=0.39的階躍響應(yīng)曲線圖6-2KT=0.50的階躍響應(yīng)曲線圖6-3 KT=0.69的階躍響應(yīng)曲線圖6-4 KT=1.00的階躍響應(yīng)曲線由曲線可以看出如果要求動態(tài)響應(yīng)快，可取KT=0.69-1.0；如果要求系統(tǒng)超調(diào)小，則應(yīng)把KT的值取小些，可取KT<0.39;無特殊要求，取折中值KT=0.5，稱為最佳二階系統(tǒng)。圖6-1圖6-4反映了PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)品質(zhì)的影響趨勢，在工程設(shè)計中，可以根據(jù)工藝的要求，直接修改PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，找到一個在超調(diào)量和動態(tài)響應(yīng)快慢上都較滿意的電流環(huán)調(diào)節(jié)器。b. 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計在增加轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)如下：校正后的調(diào)

14、速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：其中。在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖： 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計為滿足系統(tǒng)在不同需求下的跟隨性與抗擾行能要求，取h的之分別為：3、5、7、9.用matlab仿真結(jié)果如下：圖7-1h=3時的階躍響應(yīng)曲線圖7-2h=5時的階躍響應(yīng)曲線圖7-3h=7時的階躍響應(yīng)曲線圖7-4h=9時的階躍響應(yīng)曲線由圖可以看出：h值越小，動態(tài)降落也越小，恢復(fù)時間、調(diào)節(jié)時間也短，抗擾性能也越好，但是，從h<5以后，由于震蕩劇烈h越小，恢復(fù)時間反而延長，綜合起來看，h=5是最佳選擇，也即最佳三階系統(tǒng)。 對電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)都是根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)參數(shù)的，對比型、型系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)：型系統(tǒng)可以在跟隨性

15、上做到超調(diào)小，但抗擾性能差；而型系統(tǒng)超調(diào)卻相對較大，抗擾性能較好。5.設(shè)計心得a.通過該次設(shè)計，更加熟悉掌握了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及它的工作原理，加深了對開環(huán)、閉環(huán)有靜差、無靜差調(diào)速的理解-閉環(huán)結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力；無靜差調(diào)速則保證系統(tǒng)有較低的穩(wěn)態(tài)誤差。b.由此也初步掌握雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的整個設(shè)計過程，其基本思想是先內(nèi)環(huán)再外環(huán)。在結(jié)構(gòu)框圖的處理過程中有多處近似處理，簡化了傳遞函數(shù)，從而使問題得到簡化，因此稱為被稱為“工程設(shè)計方法”，這意味著在實際的應(yīng)用中，在可以大大簡化分析過程卻很小影響分析結(jié)果的方法是很有價值的。從開環(huán)到閉環(huán)、從閉環(huán)無靜差到有靜差、從單環(huán)到雙環(huán)著一些列的變化顯示人們?nèi)酥臐u進(jìn)性。c.matla