[畢業(yè)設(shè)計(jì)]雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及matlab仿真驗(yàn)證1

1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及matlab仿真驗(yàn)證1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容不可逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相橋式整流電路，系統(tǒng)的根本數(shù)據(jù)如下：直流電動機(jī)：，允許過載倍數(shù)；時間常數(shù)：，；晶閘管放大倍數(shù)：；主回路總電阻：；額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓，調(diào)節(jié)器、飽和輸出回路電壓，。1.2 設(shè)計(jì)要求(1)控制電路的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)參數(shù)的選取、電流環(huán)的設(shè)計(jì)，速度環(huán)的設(shè)計(jì)。(2)穩(wěn)態(tài)要求：穩(wěn)態(tài)無靜差。(3)動態(tài)要求：電流超調(diào)量，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。(4)用matlab對雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真，繪制調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線仿真框圖。(5)撰寫設(shè)計(jì)說明書。2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

2、的工作原理 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)。我們知道反應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反應(yīng)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)反應(yīng)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。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)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(shí)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)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

3、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。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，虛線框內(nèi)為電流內(nèi)環(huán)。圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)，電流反應(yīng)系數(shù)。由條件代入一下公式： 2-1 2-2 2-3得到：，1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓 變化

4、，當(dāng)偏差電壓為零時，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差；對負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用：在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓 變化；對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動；當(dāng)電機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的平安保護(hù)作用。當(dāng)故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖3 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。實(shí)際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多。對電流環(huán)來說，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反

5、電動勢根本不變。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。(1)確定時間常數(shù)1)查表可得，三相橋式電路的平均失控時間。2)三相半波整流電路每個波頭的時間是，為了根本濾平波頭，應(yīng)有 ，因此取。3)(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： (2-4) 電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： (2-5)因?yàn)?，所以選擇，用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消去控制對象中大的時間常數(shù)點(diǎn)，以便矯正成典型I型系統(tǒng)，因此 (2-6)(3)計(jì)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)：。電流開環(huán)增益：要求，可取。

6、但由此算出的數(shù)據(jù)無法滿足轉(zhuǎn)速要求，所以取。ACR的比例系數(shù) (2-7)(4)檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率 1)校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件2)檢驗(yàn)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3)檢驗(yàn)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 滿足近似條件(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4所示，所用運(yùn)放取： 2-8 (2-9) (2-10)圖4 含給定濾波和反應(yīng)濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖5 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且在后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)

7、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(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： (2-11)圖6 校正為典型型系統(tǒng)(1)確定時間常數(shù)1)電流環(huán)等效時間常數(shù)為，設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時已取 所以 2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。取。3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： (2-12)那么校正后的典型型系統(tǒng)為： 2-13(3)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那么，取，那么ASR的超前時間常數(shù)為。轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 2-14ASR的比例系數(shù)為 2-1

8、5(4)檢驗(yàn)近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足簡化條件。(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，那么 取 2-16 取 2-17取 2-18含給定濾波與反應(yīng)濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖7所示 圖7 含給定濾波與反應(yīng)濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4 仿真與調(diào)試由上面電路設(shè)計(jì)計(jì)算出來的參數(shù)，用MATLAB畫出方框圖，仿真方框圖如圖8所示。圖8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖仿真要求空載啟動到額定轉(zhuǎn)速，并且，在變負(fù)載擾動下。所以在轉(zhuǎn)速環(huán)引一根反應(yīng)，K取。ASR、ACR限幅均為。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線。用階躍與轉(zhuǎn)速環(huán)相乘，Step time設(shè)置成2，

9、Initial value設(shè)置為1，F(xiàn)inal value設(shè)置成0?？蛰d啟動，2秒后轉(zhuǎn)速環(huán)斷線。運(yùn)行仿真模型，得到仿真波形圖,如圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示。圖9 有ACR限幅電流、轉(zhuǎn)速波形圖由波形圖可以算出，電流超調(diào)量，轉(zhuǎn)速超調(diào)量 ，符合動態(tài)指標(biāo)，穩(wěn)態(tài)無靜差。圖10 無ACR限幅電流、轉(zhuǎn)速波形圖ACR有限幅時，一旦PI調(diào)節(jié)器限幅即飽和，其輸出量為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反極性的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；即飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)器處于斷開。而輸出未達(dá)限幅時，調(diào)節(jié)器才起調(diào)節(jié)作用，使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過程中趨于零，

10、而在穩(wěn)態(tài)時為零。圖11 有ACR限幅直流電壓波形圖圖12 無ACR限幅直流電壓波形圖圖13 有ACR限幅ASR輸出電壓波形圖圖14 無ACR限幅ASR輸出電壓波形圖圖15 有ACR限幅ACR輸出電壓波形圖16 無ACR限幅ACR輸出電壓波形由圖9可以看出，啟動過程中電流先增長，然后在一點(diǎn)時間內(nèi)維持不變，再降到穩(wěn)態(tài)值。而轉(zhuǎn)速是先緩慢加速再和加速上升?？梢园褑舆^程分為三個階段：電流上升階段、恒流升速階段、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，在第2秒轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線。反應(yīng)線斷后，ASR飽和，輸出為限幅值。轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，相當(dāng)于堵轉(zhuǎn)，電流給定為ASR的輸出最大值。電流閉環(huán)，按最大電流值恒流加速，轉(zhuǎn)速上升。但由

11、于轉(zhuǎn)速反應(yīng)斷線，觸發(fā)移相控制電壓增大到極限，觸發(fā)角最小移至，轉(zhuǎn)速一直往上增到最大，產(chǎn)生飛車。由以上分析和仿真，可以得知雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1具有良好的靜特性；2具有較好的動態(tài)特性，起動時間短(動態(tài)響應(yīng)快)，超調(diào)量也較??；3系統(tǒng)抗擾動能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差；4由兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。這樣，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別調(diào)整(先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)速度環(huán))，調(diào)整方便。5 小結(jié)與體會本次課程設(shè)計(jì)讓我對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理有了進(jìn)一步的理解,并且使用了Matlab軟件仿真集成環(huán)境Simulink進(jìn)行仿真的根本操作

12、方法，使我對Matlab有了進(jìn)一步的認(rèn)識。此外，這次課設(shè)讓我把書本上的理論知識和實(shí)際電路仿真聯(lián)系起來，增強(qiáng)了實(shí)踐能力。在課程設(shè)計(jì)過程中，都是按照課本上的設(shè)計(jì)步驟來做。首先進(jìn)行對象的分析，設(shè)計(jì)總體方案，其間與同學(xué)進(jìn)行幾次方案的討論、修改，再討論、再修改，最后定案，確定最終方案，然后設(shè)計(jì)硬件局部，通過查資料選取適當(dāng)?shù)挠布嫵鰧?yīng)的電路圖，接著設(shè)計(jì)控制器，以及各局部的功能模塊的實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行仿真，利用MATLAB仿真，把電路連好設(shè)定好參數(shù)進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)試、仿真。調(diào)試的主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的故障和錯誤。調(diào)試階段，找出硬件、參數(shù)間不相匹配和有錯的地方，反復(fù)修改，直到符合設(shè)計(jì)要求。通過此次課程設(shè)計(jì)我發(fā)現(xiàn)，只有理論水平提高了，才能夠?qū)⒄n本知識與實(shí)踐相整合，以增強(qiáng)自己的動手能力。課程設(shè)計(jì)過程中，知道了理論和實(shí)際的距離，也知道了理論和實(shí)際想結(jié)合的重要性，也從中得知了很多書本上無法得知的知識。我們的學(xué)習(xí)不但要立足于書本，還要以實(shí)踐相結(jié)合，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。理論的問題，也就是實(shí)踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識的穩(wěn)固，又有助于帶動實(shí)踐，解決實(shí)際問題，加強(qiáng)我們的動手能力和解決問題的能力。參考文獻(xiàn)