轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、運(yùn)動控制課程設(shè)計評語：考勤（10）守紀(jì)(10)過程（40）設(shè)計報告（30）答其(10)總成績（100）專業(yè)：自動化班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：2015年07月16日轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1. 設(shè)計目的一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機(jī)的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動過程中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持

2、電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。故采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。2. 設(shè)計任務(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)如下：(1) 直流電動機(jī)：220M160A1460r/min、Ce=r,允許過載倍數(shù)入=;(2) 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40；(3) 電樞回路總電阻：R=Q;(4) 時間常數(shù)：Tl=，Tm=；(5) 電流反饋系數(shù)：B=A;(6) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=r；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)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。3. 設(shè)計要求根據(jù)電力拖動自動

3、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)：(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) 分析電流環(huán)不同參數(shù)下的仿真曲線；(3) 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)；(4) 分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線(5) 進(jìn)行Simulink仿真，驗證設(shè)計的有效性。4. 設(shè)計內(nèi)容雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(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)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖1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)

4、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)的兩個調(diào)節(jié)器AS旺口ACR-般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI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。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)

5、反饋起主要作用，得到電流的自動保護(hù)。圖1為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計思路設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，從電流環(huán)(內(nèi)環(huán))開始，對其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)(外環(huán))中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。電流環(huán)的設(shè)計時間參數(shù)的確定(1)電樞回路電磁時間常數(shù)：T=L=;R(2)電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)：TmGD2R0.18s375CeCm整流濾波時間常數(shù)：三相橋式電路

6、的平均失控時間：Ts=(4)電流濾波時間常數(shù)：三相橋式電路每個波頭的時間是，為了基本濾平波頭,應(yīng)有(12)人=,因此取Toi=2ms=(5)電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取心i=Ts+Toi=典型系統(tǒng)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(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Wac

7、r(S)Ki( iS 1)iS計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)(1)ACR超前時間常數(shù)：iT0.03S(2)電流環(huán)開環(huán)增益：在本設(shè)計中，要求i5%時，應(yīng)取KiTi0.5,因止匕,Ki05 135.1s 1T iKi于是，ACR勺比例系數(shù)為:1.013校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:ci KI 135.1s 1(1) 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件為:ci1 196.1s 1 ,酒足近 3Ts似條件。2 2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)影響的條件為:ci3 f 40.82s 1 ,滿足 TmTl近似條件。(3) 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為:ci二J二- 180.8s1滿足近3 Ei'似條件。計

8、算調(diào)節(jié)器電阻和電容由運(yùn)算放大器的電路原理可以得出，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入電阻Ro40K時，電流調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)如下:i5包0.2FRKiRo40.52K；Ci0.75F;RoRi轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計時間參數(shù)的確定(1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)：KI2Ti0.0074s(2) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：Ton0.01S(3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取Tn2TiTon0.0174s典型系統(tǒng)的選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型n型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)

9、同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASRi應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WACR( s)Kn( n 1)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取h=5,則(1)ASR的超前時間常數(shù)為：nhTn0.087s(2) 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:Knh 12h2T n22396.4 s于是，ASR勺比例系數(shù)：Kn(h 1) CeTm 1172h RT n .檢驗近似條件由轉(zhuǎn)速截止頻率：cnKN34.5s1cn1(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：cn163.7s1,滿足簡化條件。3,Ti(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件：cn1叵38.7s1,滿足近似條件。3Ton計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由運(yùn)算放大器

10、的電路原理可以得出，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入電阻Ro40K時，電流調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)如下：一c_4TRnKnRo468K；Cn0.185F;Con-n-1FRRo校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量由n%2(-Cmax)(z)*NLn可得：當(dāng)h=5時，一Cmx81.2%;CbnTmCb因，能滿足設(shè)計要求。5.電流環(huán)的仿真電流環(huán)的整體仿真模型電流環(huán)的整體仿真模型見附錄A圖2所示。電流環(huán)在不同參數(shù)時的仿真圖形(1)KT=時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形見附錄B圖4所示。其超調(diào)量6=0%即無超調(diào)量。KT=時，AC"的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：按圖2的模型仿真可以得

11、到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形見附錄B圖5所示。其超調(diào)量滿足6三KT=1時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形見附錄B圖6所示。其超調(diào)量滿足6三%,超調(diào)大，但是上升時間短。觀察圖4、5和圖6的仿真曲線，在直流電動機(jī)的恒流升速階段，電流值低于200A,期原因是電流系統(tǒng)受到電動機(jī)反電動勢的擾動，它是一個線性漸增的擾動量，所以系統(tǒng)做不到無靜差，而是略低于最大電流。6 .轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真轉(zhuǎn)速環(huán)的整體仿真模型圖i轉(zhuǎn)速空載高速啟動波形圖圖2轉(zhuǎn)速滿負(fù)載啟動波形圖圖3轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾波形圖轉(zhuǎn)速環(huán)在不同負(fù)載時的仿真圖形空載起動時，階躍信號Stepl的Finalval

12、ue輸入設(shè)為0,轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動波形圖見附錄B圖7所示。滿載起動時，階躍信號Stepl的Finalvalue設(shè)為136,轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動波形圖見附錄B圖8所示(3)抗干擾性的測試，將階躍信號Stepl的 Steptime 設(shè)置為1,將Initialvalue設(shè)置為0,將Finalvalue設(shè)置為100(或其他1到136均可做干擾)，其他設(shè)置不變，轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾波形圖見附錄B圖9所示。7 .心得體會這次課程設(shè)計中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模塊的參數(shù)設(shè)置及抗干擾性的測試時的參數(shù)問題。本次課程設(shè)計讓我們對電力拖動自動控制系統(tǒng)-運(yùn)動控制系統(tǒng)的“轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)”有了更深