運動控制課程設(shè)計三閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計報告書題目：帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實踐學(xué)院：信息專業(yè)：自動化學(xué)生：陳臻譽學(xué)生學(xué)號：2012550413組員：張凱林：2015 年 7 月 完成時間指導(dǎo)教師：李輝成績評定：目錄一、選題背景3二、題目要求32.1 設(shè)計目的42.2 設(shè)計內(nèi)容42.3 設(shè)計要求52.4 電機拖動系統(tǒng)設(shè)計與5案論證5四、過程論述64.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計64.1.1 確定時間常數(shù)64.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)74.1.3 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容84.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計84.2.1 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)84.2.2 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容94.2.3 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量9五、結(jié)果分析105.1 利

2、用雙閉環(huán)軟件系統(tǒng)建模及實驗及實驗結(jié)果10實驗105.1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)115.1.3 雙閉環(huán)系統(tǒng).13模型 三閉環(huán)波形分析14實驗16波形結(jié)果18六、課程設(shè)計總結(jié)19七、參考文獻20帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實踐一、選題背景本課題為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在 V-M 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)接。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)器的輸出去電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用 PI 調(diào)節(jié)

3、的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。為了實現(xiàn)在條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 I dm 的恒流過程。按照反饋規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再讓電流負反饋發(fā)揮作用。但是電流的超調(diào)太大,影響電機, 導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)矩波動過大,容易損壞生產(chǎn)設(shè)備,利用晶閘管供電，整流裝置采用三相半波整流電路。并在此基礎(chǔ)上加入適當(dāng)?shù)碾娏髯兓蕛?nèi)環(huán)。用電流變化率內(nèi)環(huán)可以抑制電流的變化,使電流趨于平緩,通過系統(tǒng)建模和，用

4、/Simulink工具分析設(shè)計直流電速度系統(tǒng)。二、題目要求自擬系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，調(diào)速范圍、超調(diào)量、動態(tài)速降、調(diào)節(jié)時間、抗擾性能等。設(shè)計系統(tǒng)原理圖，電流環(huán)的設(shè)計，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計、電流變化率內(nèi)環(huán)設(shè)計，完成元器件的選擇，計算選擇合理調(diào)節(jié)器參數(shù)，并進行合理性?；?qū)嶒烌炞C系統(tǒng)2.1 設(shè)計目的1通過對一個實用的帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試來綜合運用科學(xué)理論知識，提高學(xué)生工程意識和實踐技能，達到素質(zhì)和創(chuàng)新能力進一步提升，使學(xué)生獲得技術(shù)工程的基本訓(xùn)練。2通過系統(tǒng)建模和，掌握用/ Simulink 工具分析設(shè)計直流電速度系統(tǒng)的方法。3進一步掌握各種直流調(diào)速系統(tǒng)的性能，尤其是動態(tài)性能。2.2

5、 設(shè)計內(nèi)容1理論設(shè)計：根據(jù)所學(xué)的理論知識和實踐技能，了解帶電流變化率內(nèi)環(huán)基本原理，解決調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題；采用工程設(shè)計方法設(shè)計一個帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(含主電路和氣原理圖)。電路,選擇的元器件，系統(tǒng)的電2實踐：根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)，利用/Simulink建立各個組成部分相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)模型進行綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的實驗波形和合適器參數(shù)，為搭建實際系統(tǒng)提供參考。3動手實踐：根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)，完成單元電路安裝、系統(tǒng)組裝、單元及系統(tǒng)調(diào)試（可利用實驗臺的某些掛件），得出實物實驗波形和系統(tǒng)動、靜態(tài)性能。4、 設(shè)計要求技術(shù)參數(shù)： 直流電：直流電：額定功率 8KW，

6、額定電壓 220V，額定電流 2A，GD2=5.3N.m 額定轉(zhuǎn)速 1600r/min，C =0.118Vmin/r，e過載倍數(shù) =1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)：KS=30； 電樞回路總電阻：R=3；時間常數(shù)：機電時間常數(shù) Tm =0.1s，電磁時間常數(shù)：L=1.46U2/Idmin=1.46*132.8/(0.1*4) = 482 mH； TL= L/R= 482*10-3/3=0.16S 電流反饋系數(shù)：=1.5 V/A（10V/Inom 10V/1.5Inom）； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.0055Vmin/r（10V/nnom 10V/1.5nnom）；反饋濾波時間常數(shù):Ton =0.02s，T

7、oi =0.002s； 電流變化率 di/dt =10Inom /s其它未盡參數(shù)可參閱中“工程設(shè)計方法舉例”的有關(guān)數(shù)據(jù)。先設(shè)計一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，要求利用晶閘管供電，整流裝置采用三相半波整流電路。并在此基礎(chǔ)上加入適當(dāng)?shù)碾娏髯兓蕛?nèi)環(huán)，觀察電流變化的快速性變化。電流變化率內(nèi)環(huán)，一般采用調(diào)節(jié)器。2.3 設(shè)計要求調(diào)速范圍D=10，靜差率 S 5；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 i 5%,電流脈動系數(shù) Si 10；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 n 10，空 載 起 動 到 額 定 轉(zhuǎn) 速 時 的 過 渡 過 程 時 間 ts0.5s 。2.4 電機拖動系統(tǒng)設(shè)計與根據(jù)所提供電參數(shù)，畫出帶電壓

8、內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)電流超調(diào)量、轉(zhuǎn)速超調(diào)量等指標(biāo)，用工程設(shè)計方法決定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和電流變換率調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并對該調(diào)速系統(tǒng)進行 simulink。案論證根據(jù)所給出的參數(shù)及要求選擇了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)加上電流變化率內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)三閉環(huán)調(diào)速。要求符合直流電：額定功率 8KW，額定電壓 220V，額定電流 2A，GD2=5.3N.m 額定轉(zhuǎn)速 1600r/min，C =0.118Vmin/r，e件。過載倍數(shù) =1.5 等條按照設(shè)計多環(huán)系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展設(shè)計原則（本課題設(shè)計先設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，后設(shè)計轉(zhuǎn)速外環(huán),再設(shè)計電流變化率內(nèi)環(huán)）。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先

9、設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。然后在此基礎(chǔ)上加入電流變化率內(nèi)環(huán),這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，達到本課程設(shè)計的要求。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖:-IdLId-nU* R Tms+n1/Ce+-Un-UU i*Ud0EUciba圖3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖四、過程論述4.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計4.1.1 確定時間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時間常數(shù)T 。按書1 表 1-2，三相電路的平均失控時間：sTs =0.0017s（3-1）(2) 電流濾波時間常數(shù)Toi 。Toi =0.002s(3) 電

10、流環(huán)小時間常數(shù)之和Tåi 。按小時間常數(shù)近似處理，取為：（3-2）Tåi = Ts + Toi =0.0037s(3-3） 1/R Tl s+1 KsTss+1WACR(s)WASR(s)4.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求s i £ 5%，穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)數(shù)為：對象是雙慣性型的，因此可用 PI 電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函= Ki(t is +1)W(s)（3-4）ACRt is檢查對電源電壓的抗擾性能：Tl Tå i0.16= 43.240.0037（3-5）符合典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標(biāo)都

11、是可以接受的。計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：t i = Tl =0.16s。（3-6），應(yīng)取 KIT Si =0.5，因此：1電流環(huán)開環(huán)增益：要求s iKi = 0.0037 = 135.13（3-7）于是，ACR 的比例系統(tǒng)為：Ki =Ki i b= 2.22（3-8）校驗近似條件電流環(huán)截至頻率：KI = wci = 74.63晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為：（3-9）11= 196.1s-1 > wci=（3-10）3Ts3´ 0.0017忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為：1 1 = 3´1= 94.87s-1 < wci（3-11）

12、0.01s ´ 0.1s3TmTl電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：1 1 = 3´1= 180.8s-1 > wci（3-12）0.0017s ´ 0.002s3TsToi4.1.3 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取得 R0 = 40KW 。各電容和電阻值為：K =、t = R C 、T= 1 R CRi（2-13）iii ioi0 oiR40Ri=40k W（2-14）按照上面計算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為s i =4.3%<5%,滿足課題所給要求。4.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計確定時間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/ KI

13、。取 KIT Si =0.5，則：= 2 ´ 0.0067 = 0.0134（3-15）KI(2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton 。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，?。篢on =0.005s。(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)TSn 。按小時間常數(shù)近似處理，?。海?-16）1T=+ T= 0.0184（3-17）å nonKI選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：WASR(s)= Kn(t ns+1)（3-18）t ns4.2.1 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取 h=5，則 ASR 的超前時間常數(shù)為：t i=hTSn=5´ 0.0274

14、=0.137s并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：（3-19）KN= h+1 =6= 159.84s-2（3-20）2h2TSn 22 ´ 25´ (0.0274)2則可得 ASR 的比例系數(shù)為：Kn= (h+1)bCeTm =6 ´ 3´ 0.113´ 0.1= 15.62ha RTSn2 ´ 25´ 0.005´ 9.5´ 0.0274（3-21）校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為：w´t n = 159.84´ 0.137 = 21.9s-1（3-22）w1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：1KI3TSi

15、135.10.037= 3´= 63.7s-1 > wcn（3-23）轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時間常數(shù)近似處理條件為：= 3´ 135.1 = 27.4s-1 > wcn1KI3Ton（3-24）0.024.2.2 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取 R0 =40 kW 。各電容和電阻值為：Rn = Kn ´ R0 = 15.6 ´ 40K W = 625KW ，（3-25）（3-26）Cn = t n= 0.137= 0.22mFRn625KW4.2.3 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng) h=5 時，由書1 可以查得：s n =37.6%，這并不能滿足課題所給

16、要求。實際上，由于表 2-6 是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR 已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應(yīng)該按 ASR 退飽和的情況重新計算超調(diào)量。如下：æ Dö Dnæ DöDCCnN TSn()s n = 2l - zmaxbmaxç÷ç÷n*n*CCTèbøèbøm1.2 ´ 9.5= 2 ´ 81.2% ´ 2.1´ 0.113 ´ 0.0274 = 4.2% < 10%（3-27）1600滿足課題所

17、給要求。三環(huán)電流變化率數(shù)據(jù)是通過0.1調(diào)試出來的五、結(jié)果分析5.1 利用軟件系統(tǒng)建模及實驗及實驗結(jié)果雙閉環(huán)實驗為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，如圖 5.1 所示。圖 5.1 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖5.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 5.2 中，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)器的輸出去電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)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)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)

18、直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，如圖 4.9 所示：-IdLId-nU* R Tms+U in1/Ce+-Un-U*Ud0EUciba圖5.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)用的 SUMLINK 模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模型圖：雙閉環(huán)系統(tǒng)波形及分析：1600 +1.2 *9.5 = 6.41V （4-1）ACR 輸出限幅值UcK30s5.1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于 P 調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI 調(diào)節(jié)器它的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的，晶閘管放大系數(shù) Ks機電時間常數(shù)Tm電磁時間常數(shù)Tl電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a過載倍數(shù)l300. 1

19、s0.01s3V/A0.005vmin/ r1.5TonToiCeRtrASR 限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.5 W2s± 6.1VACRASRACR 限幅值t nKiKIKnKN± 8.7V0.137s0.143135.1 S -115.6159.84 S -2RiCiRnCnt i6KW1.75 m F550 KW0.22 m F0.01s 1/R Tl s+1 KsTss+1WACR(s)WASR(s到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型 雙閉環(huán)系統(tǒng)模型5.1.4波形分

20、析轉(zhuǎn)速波形圖 5.4（轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 1600，超調(diào)很小）圖 5.4 轉(zhuǎn)速波形電流波形圖 5.5（電流最終穩(wěn)定在 2A）圖 5.5 電流波形從波形圖中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：第階段：電流上升階段。突加給定電壓 Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的，使 Ua，Ud，Ud0 都上升。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長很快。在這一階段中,ASR 由不飽和很快達到飽和,而 ACR 不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用. 第階段：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 n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 Uim*

21、作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR 輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使他飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓 Ui*立即下降，主電流 Id 也因而下降。但在一段時間內(nèi)， 轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達到最大值后，轉(zhuǎn)速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流 Id 也出現(xiàn)一段小于 Id0 的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR 和ACR 都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用根據(jù)波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為：1). 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

22、作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機2). 電流調(diào)節(jié)器的作用的最大電流。（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機的最大電流，從而加快動態(tài)過程（4）當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。

23、5.2 三閉環(huán)實驗帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三閉環(huán)原理圖TAUiRiCiL+RnCR0U*R0ACR+ASRGTRPLMId-+LMR0M+-+UdU PR0Uc-U*iUn-n+RPT-圖5.6三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖www.PLcWwww.PLcW圖三閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型5.8波形結(jié)果轉(zhuǎn)速波形圖 5.8（超調(diào)較小最終穩(wěn)定在 1600 轉(zhuǎn)）圖 5.8 轉(zhuǎn)速波形電流波形圖 5.9圖 5.9 電流波形低轉(zhuǎn)速下的波形圖 5.10（160 轉(zhuǎn)）圖 5.10 低轉(zhuǎn)速下的波形主電路采用三相橋式全控定勵磁，改變轉(zhuǎn)速給定電壓Un* 可方便地調(diào)節(jié)電工作時，首先給電加上額的轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器 ASR、電流調(diào)節(jié)器 ACR 均設(shè)有限幅電路，ASR 的輸出Ui* 作為 ACR 的給定，利用 ASR 的輸出限幅Uim* 起限制啟動電流的作用；ACR 的輸出Uc 作為觸發(fā)器 GT 的移相電壓，利用 ACR 的輸出限幅