轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)MATLAB Simulink

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 電氣工程及其自動化專業(yè)任務(wù)書1.設(shè)計(jì)題目轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)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)為：直流電動機(jī)：Un=440V，In=365A，nN=950r/min，Ra=0.04,電樞電路總電阻R=0.0825,電樞電路總電感L=3.0mH,電流允許過載倍數(shù)=1.5，折算到電動機(jī)飛輪慣量GD2=20Nm2。晶閘管整流裝置放大倍數(shù)Ks=40，滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s電流反饋系數(shù)=0.274V/A (10V/1.5IN)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.0158V min/r (10V/nN)濾波時(shí)間常數(shù)取Toi=

2、0.002s，Ton=0.01s=15V；調(diào)節(jié)器輸入電阻Ra=40k3.設(shè)計(jì)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5%；采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋使轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于0。目錄任務(wù)書I目錄II前言1第一章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理21.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹21.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成31.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性41.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型51.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型51.4.2 起動過程分析6第二章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)92.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則92.2 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較102.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)112.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的

3、化簡和結(jié)構(gòu)的選擇112.3.2 時(shí)間常數(shù)的計(jì)算122.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)132.3.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)132.3.5 校驗(yàn)近似條件142.3.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容152.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)152.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡152.4.2 確定時(shí)間常數(shù)172.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)172.4.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)172.4.5 檢驗(yàn)近似條件182.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容19第三章 Simulink仿真203.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì)203.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)213.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)22第四章 設(shè)計(jì)心得24參考文獻(xiàn)25前言許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的

4、范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求

5、。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)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，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)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啟動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。隨著社會化大生產(chǎn)的

6、不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。第一章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。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

7、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(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)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(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程

8、必然拖長。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b) (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)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(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時(shí)，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)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。實(shí)

9、際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)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(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(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)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(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之

10、間實(shí)行串級連接，如圖2所示，即把轉(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(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)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(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I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(yùn)行時(shí)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(shí)又能兼顧快速響應(yīng)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(zhǔn)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2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)

11、速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測速發(fā)電機(jī)；TA電流互感器；UPE電力電子變換器1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖3：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電

12、壓在穩(wěn)太時(shí)總是為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，= = （1-1）= = （1-2）由式（1-1）可得：n=從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，<可知<，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無

13、靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)：= （1-3）其中，最大電流取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)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(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。U*na Uc

14、t-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖5：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1.4.2 起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖28所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動態(tài)過程就分成、三個(gè)階段。圖6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，由于電動機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動（n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)

15、反饋電壓，這時(shí)，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當(dāng)增加到（負(fù)載電流）時(shí)，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達(dá)到限幅值，從而使電樞電流達(dá)到所對應(yīng)的最大值（在這過程中的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即 （1-3）式中，電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流

16、保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。開始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負(fù)載電流，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時(shí)，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果

17、系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個(gè)階段中ASR與ACR同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為 （1-4）ACR的輸出電壓為 （1-5）由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時(shí)間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)ASR

18、發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）飽和非線形控制：隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，

19、在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，就是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時(shí)間只占全部起動時(shí)間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。第二章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)2.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1。 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2。 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時(shí)間；3。 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)

20、調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計(jì)算公式簡明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計(jì)算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。2.2

21、 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為： 根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、型、型系統(tǒng)。自動控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的，而型及型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用型、型系統(tǒng)，典型的型、型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-1） （2-2）一般說來典型型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖?，在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為

22、型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts和電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi。這樣，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，同理，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式(2-1)。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成PI型調(diào)節(jié)器，如下式所示: （2-3）2.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡和結(jié)構(gòu)的選擇在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，

23、可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE0。這時(shí)，電流環(huán)如圖7所示。 圖7 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：式中-電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號改成U*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。 圖8 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖8圖8 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理2.3.2 時(shí)間常數(shù)的計(jì)算1、直流電機(jī)參數(shù) 2、整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0

24、017s。3、電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s。4、電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T=Ts+Toi=0。0017s +0。002s =0.0037s5、電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)6、電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)2.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)要求電流無靜差，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時(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，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 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)可以寫成 （2-5）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

25、前時(shí)間常數(shù)。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(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。2.3.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：ti=Tl=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時(shí)，應(yīng)取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：2.3.5 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1；晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足近似條件電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 滿足近似條件2.3.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容圖9 PI型電路調(diào)節(jié)器的組成按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和

26、電容值為：2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為用電流環(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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖10所示和電流環(huán)一樣，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)將給定信號改成U*n(s)/a，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，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)圖10 用等效環(huán)節(jié)

27、代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖11圖11 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖2.4.2 確定時(shí)間常數(shù)1、電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由電流環(huán)參數(shù)可知KITi=0.5，則2、轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01s3、轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取2.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(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，現(xiàn)在在擾動作用點(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)也能滿足動態(tài)抗擾性能好的

28、要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； t n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 2.4.4 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=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：ASR的比例系數(shù)為：2.4.5 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)簡化條件為 滿足近似條件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2.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖12 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的組成取R0=40k，則當(dāng)h=5時(shí)，查詢典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的表格可以看出，不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要添加微分負(fù)反饋：第三章 Simuli

29、nk仿真3.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì)校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過化簡和相關(guān)計(jì)算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖：圖13 電流環(huán)的仿真模型圖14 電流環(huán)的仿真結(jié)果3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過化簡和相關(guān)計(jì)算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖：圖15 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖16 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真結(jié)果3.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)圖18 雙閉環(huán)的仿真結(jié)果第四章 設(shè)計(jì)心得通過這次設(shè)計(jì)，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時(shí)，進(jìn)一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊(yùn)涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，了解了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、