運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計.doc

學(xué)學(xué) 號 號 012101136050 1 課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 題題 目目 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析 學(xué)學(xué) 院院 自動化學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 自動化專業(yè) 班班 級級 自動化 1005 班 姓姓 名名 王建華 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 劉芙蓉 2013 年12 月30日 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名 學(xué)生姓名 王建華王建華 專業(yè)班級 專業(yè)班級 自動化自動化 10051005 班班 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 劉芙蓉劉芙蓉 工作單位 工作單位 自動化學(xué)院自動化學(xué)院 題題 目目 直流雙閉環(huán)系統(tǒng) 一 的設(shè)計及仿真分析 一 直流雙閉環(huán)系統(tǒng) 一 的設(shè)計及仿真分析 一 初始條件 初始條件 已知電動機參數(shù) 60 220 305 1000 min NNNN PkW UV IA nr 電動勢系數(shù) 0 196min e CVr 電樞回路總電阻0 18 R 觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù) 35 s K 電磁時間常數(shù) 0 012 l Ts 機電時間常數(shù) 0 12 m Ts 電流與轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 0 0 0022 0 014 ion Ts Ts 額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓 10 n UV 調(diào)節(jié)器 飽和輸出電壓 8 6 5 imcm UV U 要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù) 包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求 以及說明書撰寫等 具體要求 試設(shè)計該轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán) V M 調(diào)速系統(tǒng) 由三相半波相控變流裝置供電 要求系統(tǒng)的調(diào) 速范圍 D 10 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無差 電流超調(diào)量5 i 空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 10 n 畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖并計算 1 電流反饋系數(shù) 啟動電流限制在 以內(nèi) 和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 2 設(shè)計電流調(diào)節(jié)器 計算電阻和電容的數(shù)值 取 0 40Rk 3 設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 計算電阻和電容的數(shù)值 取 0 40Rk 4 讓電機滿載啟動到額定轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定運行后突減一半負(fù)載 觀察并錄下電機的轉(zhuǎn)速 電流等 的波形 并進行分析 時間安排 時間安排 2013 12 25 布置課程設(shè)計題目 2013 12 26 2013 12 29 完成課程設(shè)計 2013 12 30 2014 1 3 撰寫課程設(shè)計報告 2014 1 6 答辯并上交報告 指導(dǎo)教師簽名 指導(dǎo)教師簽名 年年 月月 日日 系主任 或責(zé)任教師 簽名 系主任 或責(zé)任教師 簽名 年年 月月 日日 目錄 1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成 2 1 1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 2 1 2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2 1 3 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型 3 2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計 4 2 1 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 4 2 1 1 典型 I 系統(tǒng) 4 2 1 2 典型 II 型系統(tǒng) 5 2 2 控制對象的工程近似處理方法 6 2 3 按工程設(shè)計方法設(shè)計直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 7 2 3 1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 7 2 3 2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 11 3 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 14 3 1 電流環(huán)的仿真 14 3 2 轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真 15 3 3 波形分析 19 心得體會 20 參考文獻 21 摘要 對于經(jīng)常正 反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng) 如龍門刨床 可逆軋鋼機等 縮短起 制動過 程的時間是提高生產(chǎn)效率的重要因素 為此 在起動或制動過渡過程中 希望始終保持 電流為允許最大值 使調(diào)速系統(tǒng)以最大加減速運行 當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時 最好是電流立 即降下來 使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡 從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行 實際上 由于主電路電感的作用 電流不可能突變 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快 起 制動 關(guān)鍵是要獲得一段使得電流保持為最大值的恒流過程 采用電流負(fù)反饋能夠 得到近似的恒流過程 并且要做到在起動過程只有電流負(fù)反饋 在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時又只 要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用 為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用 可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器 分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流 二 者間實行串級連接 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 去控制電力電子變換器 UPE 電流環(huán)在內(nèi)環(huán) 轉(zhuǎn)速換在外環(huán) 形成轉(zhuǎn)速 電流反饋控制 直流調(diào)速系統(tǒng) 為獲得良好的靜 動態(tài)性能 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器 用工程設(shè)計方法來設(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) 步驟是 先從電流環(huán)開始 對其進行必要的變換和近似處理 然后根據(jù)電流環(huán)的控制要 求確定把它校正為哪一類型的典型系統(tǒng) 再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型 最后 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)計完成以后 把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn) 速環(huán)的一個環(huán)節(jié) 再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán) 工程設(shè)計是在一定的近似條件下得到的 如果用 MATLAB 仿真軟件 SIMULINK 進行仿真 可以根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進行必 要的修正和調(diào)整 關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 工程設(shè)計 MATLAB 仿真 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析 1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成 1 1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器 分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流 二者間實行串級連接 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 出去控制電力電子變換器 UPE 電流環(huán)在內(nèi)環(huán) 轉(zhuǎn)速換在外環(huán) 形成轉(zhuǎn)速 電流反饋控 制直流調(diào)速系統(tǒng) 為獲得良好的靜 動態(tài)性能 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖 1 1 所示 圖 1 1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR 電流調(diào)節(jié)器 TG 測速發(fā)電機 1 2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的 PI 調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓決定了 電流給定的最大值 電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出 電壓 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時 輸出達(dá)限幅值 輸入量變化不再影響輸出 除非有反向的輸入 信號使調(diào)節(jié)器退出飽和 相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)器開環(huán) 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時 PI 調(diào)節(jié)器工作在 線性調(diào)節(jié)狀態(tài) 其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 2 所示 圖 1 2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 1 3 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 3 所示 圖 1 3 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中 WASR s 和 WACR s 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) 2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計 2 1 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 作為工程設(shè)計方法 首先要使問題簡單化 突出主要矛盾 簡化的基本思路是 把 調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分作兩步 第一步 先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 以確保系統(tǒng)穩(wěn)定 同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度 第二步 再選擇調(diào)節(jié)器參數(shù) 以滿足動態(tài)性能指標(biāo)要求 2 1 1 典型 I 系統(tǒng) 典型 I 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 K W s s Ts 1 式中 T 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù) K 系統(tǒng)的開環(huán)增益 在典型 I 型系統(tǒng)中 只包含開環(huán)增益 K 和時間常數(shù) T 兩個參數(shù) 時間常數(shù) T 往往是 控制對象本身固有的 唯一可變的只有開環(huán)增益 K 通過理論分析 可求得各項動態(tài)跟隨 性能指標(biāo)與參數(shù) KT 的關(guān)系 當(dāng)系統(tǒng)的時間常數(shù) T 為已知時 隨著 K 值的增大 系統(tǒng)的 快速性提高 而穩(wěn)定性變差 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表 2 1 所示 表 2 1 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 KT0 250 390 50 691 0 阻尼比 超調(diào)量 上升時間 tr 峰值時間 tp 相角穩(wěn)定裕度 截止頻率 c 1 0 0 76 3 0 243 T 0 8 1 5 6 6T 8 3T 69 9 0 367 T 0 707 4 3 4 7T 6 2T 65 5 0 455 T 0 6 9 5 3 3T 4 7T 59 2 0 596 T 0 5 16 3 2 4T 3 2T 51 8 0 786 T 2 1 2 典型 II 型系統(tǒng) 在各種 II 型系統(tǒng)中 選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型 II 型系統(tǒng) 其開環(huán)傳遞函數(shù)為 2 1 W s 1 Ks sTs 在典型 II 型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式中 時間常數(shù) T 是控制對象固有的 待定的參數(shù)有兩 個K 和 增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性 為了分析方便 引入了一個新的變量 h 令 2 1 T w h w 通過理論分析相關(guān)幅頻特性參數(shù) 可計算出工程設(shè)計方法中計算典型 II 型系統(tǒng)參數(shù) 公式 2 2 11 22 1111 222 c hhh Kw ww hTh T 采用數(shù)字仿真計算 計算出對應(yīng)于不同 h 值的動態(tài)抗擾過程曲線 從而求出各項動態(tài)抗 擾性能指標(biāo) 典型 II 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)如表 2 2 所示 表 2 2 典型 II 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo) h345678910 tr T ts T k 52 6 2 4 12 15 3 43 6 2 65 11 65 2 37 6 2 85 9 55 2 33 2 3 0 10 45 1 29 8 3 1 11 30 1 27 2 3 2 12 25 1 25 0 3 3 13 25 1 23 3 3 35 14 20 1 控制系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能指標(biāo)因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和擾動作用點而異的 在分析典型 II 型系 統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)時 是按 minrM 準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系 則有 2 2 2 22 3322 2 1 1 22 1 11 h FK TTs h C s hh T sT shTs hh 由上式可以計算出對應(yīng)于不同 h 值的動態(tài)抗擾過程曲線 從而求出各項動態(tài)抗擾性 能指標(biāo) 典型 II 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表 2 3 所示 表 2 3 典型 II 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 2 2 控制對象的工程近似處理方法 a 高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 實際系統(tǒng)中往往有若干個小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié) 這些小時間常數(shù)所對應(yīng)的頻率都 處于頻率特性的高頻段 形成一組小慣性群 例如 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 123 1 1 1 1 Ks W s s TsT sT s 在一定的條件下 可以將它們近似地看成是一個小慣性環(huán)節(jié) 其時間常數(shù)等于小慣性群 中各時間常數(shù)之和 它的頻率特性為 2 2323 2323 111 111 1 jwTjwTjw TT T T wjw TT 近似條件為 2 23T T w1 工程計算中允許有 10 內(nèi)的誤差 因此上述近似條件可寫成 2 23T T w0 1 即為 23 1 3 cw T T b 高階系統(tǒng)的降階近似處理 以三階系統(tǒng)為例 設(shè) 32 1 K W s asbscs 若能忽略高次項 可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 1 K W s cs 近似條件為 c 11 min 3 c ba h 3 456 7 89 10 Cmax Cb tm T tv T 72 2 2 45 13 60 77 5 2 70 10 45 81 2 2 85 8 80 84 0 3 00 12 95 86 3 3 15 16 85 88 1 3 25 19 80 89 6 3 30 22 80 90 8 3 40 25 85 c 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 當(dāng)系統(tǒng)中存在一個時間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時 可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié) 近似條件為 c 3 T 2 3 按工程設(shè)計方法設(shè)計直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與圖 1 3 不同 增加了濾波環(huán)節(jié) 包括電流濾波 轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié) 設(shè)置濾波環(huán)節(jié)的必要性是由于反饋信號檢測中常 含有諧波和其他擾動量 為了抑制各種擾動量對系統(tǒng)的影響 需加低通濾波這樣的濾波 環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)表示 其濾波時間常數(shù)按需要選定 然而 在抑制擾 動量的同時 濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用 為了平衡這個延遲作用 在給定信號 通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié) 稱作給定濾波環(huán)節(jié) 其意義是 讓給定信號 和反饋信號經(jīng)過相同的延滯 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 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 1 所示 圖 2 1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2 3 1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 一般情況下 系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠(yuǎn)小于機電時間常數(shù) 對于電流環(huán)來說 反電動 勢是一個變化比較慢的擾動 在電流的瞬時變化過程中可認(rèn)為反電動勢基本不變 在動 態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時 可暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響 可以證明 忽略反電動勢 對電流環(huán)作用的近似條件是 1 3 ci ml T T 式中 ci 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 2 所示 圖 2 2 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如果把給定濾波和反饋濾波同時等效地移到內(nèi)環(huán)前向通道上 再把給定信號改成 U is 則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 電流環(huán)等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 3 所示 圖 2 3 電流環(huán)等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 最后 由于 Ts 和 Toi 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 慣性環(huán)節(jié) 其時間常數(shù)為 isoiTTT 簡化的近似條件為 11 3 ci oi s TT 電流環(huán)小慣性環(huán)節(jié)近似處理結(jié)構(gòu)圖如圖 2 4 所示 圖 2 4 電流環(huán)小慣性環(huán)節(jié)近似處理結(jié)構(gòu)圖 1 反饋系數(shù)計算 調(diào)節(jié)器 ASR ACR 飽和輸出電壓 8V 6 5V imcm UU 啟動電流限制在 339A 以內(nèi) 額 定轉(zhuǎn)速時的給定電壓 可求得電流反饋系數(shù) U8 0 0236 339339 im VAVA 10 n UV 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 10 0 01 1000 n N U VrpmVrpm n 同時可求得過載倍數(shù) 339 1 1 305 dm dN I I 2 確定時間常數(shù) 整流裝置滯后時間常數(shù) Ts 查表可得三相半波電路的平均失控時間為 Ts 0 0033s 又已知電流濾波時間常數(shù) Toi 0 0022s 所以電流環(huán)小時間常數(shù)之和可近似處理為 0 0055isoiTTTs 3 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求 5 i 并保證穩(wěn)態(tài)電流無誤差 可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電流調(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 ii ACR i 1 K s Ws s 式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù) 電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 s ii o i 1 K 11 pi li K s R Ws sTsTs 因為 liTT 所以選擇 0 012il Ts 用調(diào)節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常 數(shù)極點 以便校正成典型 I 型系統(tǒng) 因此 opi W 1 1 isI iii K KRK s s Tss Ts 式中 isis I il K KRK KR K R R 檢查對電源電壓的抗擾性能 0 012 2 18 0 0055 l i T T 參看典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能 各項指標(biāo)都是可以接受的 4 計算調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù) 0 012il Ts 電流開環(huán)增益 要求 5 i 時 按表 2 1 應(yīng)取 0 5IiKT 因此 0 50 5 11 90 9 0 0055 I i Kss T 于是 ACR 的比例系數(shù)為 90 9 0 012 0 18 0 2377 35 0 0236 I i i s K R K K 5 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 1 90 9ciIwKs 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 11 1 1 101 3 3 0 0033 ci s ssw T 滿足近似條件 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 1 1 3379 06 0 12 0 012 ci ml w T T 滿足近似條件 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 111 1 123 71 330 0033 0 0022 ci soi w T T 滿足近似條件 6 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 模擬 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖 2 5 所示 取 根據(jù)運算放大器的電路原理 可以導(dǎo)出 0 40Rk 0 3 0 2377 40 109 5089kiiRKRk 取 i 6 3 0 012 C1 33 101 3 9 10 i i FFF R 取 i 6 o 3 0 44 0 0022 C0 22 10 22 40 10 o i T FFF R 取0 圖 2 5 模擬 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖 按照上述參數(shù) 電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 4 3 5 i 滿足設(shè)計要求 2 3 2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 可得到轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 6 所示 圖 2 6 轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 把時間常數(shù)為 1 KI 和 Ton 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來 近似成一個時間常數(shù)為的 慣性環(huán)節(jié) n 1 Ton I T K 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 型系統(tǒng) 這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能的要求 由此可見 ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器 其傳遞函數(shù)為 nn ASR n 1 K s Ws s 這樣 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 nnnn n 2 nemnnemn 1 1 1 1 R K sK R s W s sC T s Ts C T s Ts 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 n N nem K R K C T 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和 n 按照典型 型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系 則有 N 22 1 2n h K h T n n hT 因此 n 1 2 em n h C T K h RT 1 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù) 10 0055 0 011 0 50 5 i I T ss K 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) 0 014onTs 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) n 1 T0 011 0 0140 025on I Ts K 2 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定速降 305 0 18 280 1 0 196 N e I R nrpmrpm C n 的基準(zhǔn) 值應(yīng)該為 2 2 ndmdL n bN emm RTIIT n zn C TT 作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n 其基準(zhǔn)值應(yīng)該是 n 因此退飽和超調(diào)量可以由表 2 3 的數(shù)據(jù)經(jīng) 過基準(zhǔn)值換算后求得 即 maxmax maxmax 2 280 10 025 2 1 1 00 128410 10000 12 bNn n bbm bb CnCn T z CnCnT CC CC 可求得 max 77 88 b C C 查表 2 3 可知 h 應(yīng)取 4 則 ASR 的超前時間常數(shù)為 nn 4 0 025 0 1s hT 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 22 N 2222 14 1 250 22 40 025n h Kss h T ASR 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為 n 14 10 0236 0 196 0 12 7 71 22 4 0 01 0 18 0 025 em n h C T K h RT 3 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 11 1 250 0 125 N cnN n K wK ss w 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化的條件 1190 9 42 85 330 0055i I cn K w T 滿足簡化條件 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 on 1190 9 26 86 330 014 I cn K w T 滿足近似條件 4 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 模擬 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖 2 7 所示 圖 2 7 模擬 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 與電流調(diào)節(jié)器類似 取 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻 電容值為 0 40Rk 3 nn0 7 71 40 10 308 4k310kRK R 取 6 n n 3 n 0 1 0 32 100 320 3 310 10 CFF F F R 取 on on 3 0 44 0 014 F 1 4 F1 4 F 40 10 T C R 取 3 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 工程設(shè)計是在一定的近似條件下得到的 再用 MATLAB 仿真軟件進行仿真 可以根 據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進行必要的修正和調(diào)整 3 1 電流環(huán)的仿真 電流環(huán)的仿真模型如圖 3 1 所示 0 0236 0 0022s 1 Transfer Fcn4 0 18 0 12s Transfer Fcn3 5 56 0 012s 1 Transfer Fcn2 35 0 0033s 1 Transfer Fcn1 1 0 0022s 1 Transfer Fcn Step Scope Saturation 1 s Integrator Limited K Gain1 K Gain 圖 3 1 電流環(huán)的仿真模型 在仿真中增加了一個飽和非線性模塊 雙擊該模塊 把飽和上界和下界參數(shù)分別設(shè) 置為限幅值 6 5 和 6 5 飽和非線性模塊對話框如圖 3 2 所示 圖 3 2 飽和非線性模塊對話框 仿真模型中參數(shù)是根據(jù)上述計算的結(jié)果決定的 參數(shù)關(guān)系是 KT 0 5 PI 調(diào)節(jié)器的傳 遞函數(shù)為 19 81 0 2377 s 利用仿真模型可以觀察到當(dāng)給定為 ASR 的飽和輸出 8V 時電流 環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果 電流環(huán)的仿真結(jié)果如圖 3 3 所示 圖 3 3 電流環(huán)的仿真結(jié)果 在直流電動機的恒流升速階段 電流值低于 339A 其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動 機反電動勢的擾動 它是一個線性增強的擾動量 所以系統(tǒng)做不到無靜差 而是 ddmIIm略低于 3 2 轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型如圖 3 4 所示 為了在示波器模塊中反映出轉(zhuǎn)速電流的關(guān)系 仿真模型中選用了 Mux 模塊來把幾個 輸入聚合成一個向量輸出給 Scope Step1 模塊是用來輸入負(fù)載電流的 PI 參數(shù)采用前面 設(shè)計結(jié)果 其傳遞函數(shù)為 77 1 7 71 s ASR 調(diào)節(jié)器的飽和非線性模塊飽和上界和下界參數(shù)分別設(shè)置為限幅值 8 和 8 Step 模塊是用來輸入轉(zhuǎn)速給定的 額定轉(zhuǎn)速為 1000rpm 相應(yīng)給定應(yīng)設(shè)置為 10 也可通過改 變該設(shè)定值 觀察雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍 0 01 0 014s 1 Transfer Fcn5 0 0236 0 0022s 1 Transfer Fcn4 0 18 0 12s Transfer Fcn3 5 56 0 012s 1 Transfer Fcn2 35 0 0033s 1 Transfer Fcn1 1 0 0022s 1 Transfer Fcn Step1 Step Scope Saturation1Saturation 1 s Integrator Limited1 1 s Integrator Limited 5 1 Gain4 K Gain3 K Gain2 K Gain1 K Gain 圖 3 4 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型 可得到起動時的轉(zhuǎn)速和電流響應(yīng)曲線 ASR 調(diào)節(jié)器經(jīng)過了不飽和 飽和 退飽和三 個階段 最終穩(wěn)定運行于給定轉(zhuǎn)速 當(dāng)給定為 10 并把負(fù)載電流設(shè)置為 305 滿載起動 其轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖 3 5 所示 圖 3 5 當(dāng)給定為 10 并把負(fù)載電流設(shè)置為 305 滿載起動時的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線 當(dāng)給定為 1 并把負(fù)載電流設(shè)置為 305 滿載起動時轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖 3 6 所 示 圖 3 6 當(dāng)給定為 1 并把負(fù)載電流設(shè)置為 305 滿載起動時轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線 當(dāng)給定為 10 和 1 時 系統(tǒng)能滿載達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 900rpm 和 100rpm 可見 所設(shè)計的 直流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍滿足 D 10 的要求 負(fù)載電流的輸入模塊 Step1 可以設(shè)計為 Step time 設(shè)置為 4 5 Initial value 設(shè)置為 305 Final value 設(shè)置為 152 5 即突減一半負(fù)載 Step1 模塊對話框如圖 3 7 所示 圖 3 7 Step1 模塊對話框 Step1 負(fù)載電流的波形如圖 3 8 所示 圖 3 8 Step1 負(fù)載電流的波形 進行仿真 即可讓電機滿載啟動到額定轉(zhuǎn)速 并在穩(wěn)定運行后突減一半負(fù)載 觀察 并錄下電機的轉(zhuǎn)速 電流等的波形 電機的轉(zhuǎn)速 電流抗擾波形如圖 3 9 所示 圖 3 9 電機的轉(zhuǎn)速 電流抗擾波形 3 3 波形分析 通過對圖 3 9 波形圖分析可知 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動過程經(jīng)歷了三個階段 即 第一階段是電流上升階段 突加給定電壓 U n 后 Id 上升 當(dāng) Id 小于負(fù)載電流 IdL 時 電機還不能轉(zhuǎn)動 當(dāng) Id IdL 后 電機開始起動 由于機電慣性作用 轉(zhuǎn)速不會很 快增長 因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大 其輸出電壓保持限幅 U im 強迫電流 Id 迅速上升 直到 Id Idm Ui U im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長 標(biāo)志著這一階段的結(jié)束 第二階段是恒流升速階段 在這個階段中 ASR 始終是飽和的 轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán) 系統(tǒng)成為在恒值電流 U im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng) 基本上保持電流 Id 恒定 因而系統(tǒng) 的加速度恒定 轉(zhuǎn)速呈線性增長 與此同時 電機的反電動勢 E 也按線性增長 對電流 調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說 E 是一個線性漸增的擾動量 為了克服它的擾動 Ud0 和 Uc 也必須基 本上按線性增長 才能保持 Id 恒定 當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時 要使其輸出量按線性增長 其輸入偏差電壓必須維持一定 的恒值 也就是說 Id 應(yīng)略低于 Idm 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減 少到零 但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 U im 所以電機仍在加速 使轉(zhuǎn)速超 調(diào) 轉(zhuǎn)速超調(diào)后 ASR 輸入偏差電壓變負(fù) 使它開始退出飽和狀態(tài) U i 和 Id 很快下降 但 是 只要 Id 仍大于負(fù)載電流 IdL 轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升 直到 Id IdL 時 轉(zhuǎn)矩 Te TL 則 dn dt 0 轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值 由于系統(tǒng)受到電動機反電動勢的擾動 導(dǎo)致滿載時轉(zhuǎn)速達(dá) 不到設(shè)定的 1000rpm 突減一半負(fù)載后 負(fù)載電流減小 電流反饋檢測到電流變化量 并反饋到