直流電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、課程設(shè)計題目： 直流電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與信息工程 專業(yè)年級 13自動化2班 學(xué)生姓名 龐超明 學(xué)號 指導(dǎo)教師 吳詩賢 職稱 講師 日 期 2016-11-30 目錄摘要2一、設(shè)計任務(wù)31、設(shè)計對象參數(shù)32、課程設(shè)計內(nèi)容及要求3二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖41、整流裝置的選擇42、建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖4三、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的工程設(shè)計51、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖52、電流環(huán)設(shè)計62.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖62.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇62.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算73、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計13.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖93.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇93.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算10三、雙閉

2、環(huán)控制系統(tǒng)仿真111、系統(tǒng)仿真模型112、動態(tài)性能分析14四、總結(jié)16參考文獻(xiàn)17摘要本設(shè)計通過分析直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖。同時，采用工程設(shè)計的方法對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計，先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后將整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再來設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。遵從確定時間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗(yàn)近似條件的步驟一步一步的實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計。之后，再對系統(tǒng)的起動過程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后用MATLAB軟件中的Simulink模塊對設(shè)計好的系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，得出仿真波形。關(guān)鍵詞： 直流電動機(jī)雙閉環(huán)MATLAB

3、/Simulink仿真一、設(shè)計任務(wù)1、設(shè)計對象參數(shù)系統(tǒng)中采用三相橋式晶閘管整流裝置；基本參數(shù)如下：直流電動機(jī)：220V，136A，1500r/min，Ce=0.15V/( r.min-1)，允許過載倍數(shù)1.5。晶閘管裝置：Ks=50電樞回路總電阻：R=0.6時間常數(shù)：Tl=0.03s，Tm=0.2s反饋系數(shù)：=0.007V/( r.min-1) ，=0.05V/A反饋濾波時間常數(shù)：oi=0.002s，on=0.002s2、課程設(shè)計內(nèi)容及要求2.1建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模型；繪出結(jié)構(gòu)圖。2.2電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的工程設(shè)計。2.3利用Simulink建立仿真模型（須有較為詳細(xì)的建模過程說明），并分析系統(tǒng)

4、的動態(tài)性能。2.4調(diào)試分析過程及結(jié)果描述。列出主要問題的出錯現(xiàn)象、出錯原因、解決方法及效果等；2.5總結(jié)。包括課程設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲等內(nèi)容。二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1、整流裝置的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串級聯(lián)結(jié)，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)器的輸出去控制三相橋式晶閘管整流裝置。目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖1所示。圖1 三相橋式全控晶閘管整流裝置2、建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣、性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單閉環(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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差

5、。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。理想快速啟動過程電流和轉(zhuǎn)速為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動，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)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達(dá)到的控制：啟動過程只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器來組成系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別在系統(tǒng)中起作用，可以在系統(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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）

6、連接，如圖2所示。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)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖2 直流電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖三、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的工程設(shè)計1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2、電流環(huán)設(shè)計 2.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 圖3 2.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖3可以看出，采用型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實(shí)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

7、動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(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：式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成圖4所示的典型形式，其中：圖42.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 （1）確定時間常數(shù)1）整流裝置滯后時間常數(shù)。通過表1可得出，三相橋式電路的平均失控時間。2）電流濾波時間常數(shù)。根據(jù)初始條件有=0.002 s。3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取0.0037。表1各種整流電路的失控

8、時間（）整流電路形式最大失控時間平均失控時間單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式、六相半波20106.673.331053.331.67 （2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)書本設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無差，按典型型系統(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)：檢查對電源電壓的抗擾性能：37=8.11，參照表2的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。表2典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（3）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)：0.03s。電流開環(huán)增益：書本要求時，按表3，取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：表3典型型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域

9、指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.64.73.32.4峰值時間8.36.24.73.6相角穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率0.2430.3670.4550.5690.786 （4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：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)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。3、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 3.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，電

10、流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為忽略高次項，可降階近似為近似條件式中 轉(zhuǎn)速開環(huán)頻率特性的截止頻率。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，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效成這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 校正后成典型型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算（1）確定時間常數(shù)A:電流環(huán)等效時間常數(shù).已取，B:轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù).已知，=0.02sC:轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) （2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)按照跟隨和抗擾性能的原則，取h=5,則ASR的超前時間

11、常數(shù)為：轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：于是，ASR的比例系數(shù)為 (4) 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2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為三、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真1、系統(tǒng)仿真模型本設(shè)計運(yùn)用MATLAB的Simulink來對系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以及上面計算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型（1） 建模過程說明1） 進(jìn)入MATLAB直接鍵入simulink命令，打開Simulink模塊瀏覽器窗口2） 打開模型編輯窗口：選擇FileNewModel菜單項實(shí)現(xiàn)3） 復(fù)制相關(guān)模塊進(jìn)入模型編輯窗口：將Source組中的Step（階躍輸入

12、）模塊、Math Operations組中的Sum（加法器）和Gain（增益）模塊、Continuous組中的Transfer Fcn（控制器）和Integrator（積分）模塊、Sinks組中的Scope（示波器）等加入編輯窗口，如下圖：4） 模塊鏈接,如下圖5）修改模塊參數(shù)：雙擊各模塊圖案，則出現(xiàn)關(guān)于該圖案的對話框，通過修改對話框內(nèi)容來設(shè)定模塊參數(shù)。詳見教材P51-P54.各模塊參數(shù)修改見下圖：（2） 電流環(huán)動態(tài)仿真模型及仿真曲線1）電流環(huán)動態(tài)仿真模型：2）電流仿真曲線：系統(tǒng)運(yùn)行，得到系統(tǒng)電流仿真曲線（3） 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)仿真模型及仿真曲線1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)仿真模型： 2）

13、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線系統(tǒng)運(yùn)行，得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線2、動態(tài)性能分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓時由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程圖如上圖所示。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，整個動態(tài)過程就分成了圖中標(biāo)明的、三個階段。第階段（）是電流上升階段。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、都跟著上升，但是在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)后，電動機(jī)開始起動。由于機(jī)電慣性的作用，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值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標(biāo)志著這

14、一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第階段（）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)成為恒值電流給的下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機(jī)的反電動勢也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，為了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，應(yīng)略小于。此外，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中ACR不應(yīng)飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也需留

15、有余地。第階段（以后）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的輸入偏差減小到零，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)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值（時）。此后電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快的跟隨給定值，即電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程的特點(diǎn)是：1）飽和非線性控制。隨著ASR

16、的飽和與不飽和，整個系統(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)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單的用線性控制理論來分析整個起動過程。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，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實(shí)際起動過程與理想起動過程還有一些差距，不過這兩個階段只占全部起動時間中的很小一部分，可稱作“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。四、總結(jié)本次課程設(shè)計是電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)這門課的一次課

17、程設(shè)計，主要目標(biāo)是設(shè)計一個符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)這門課是我們自動化專業(yè)的一門綜合性非常強(qiáng)的課程，它綜合了之前學(xué)習(xí)過的模擬電子技術(shù)、自動控制原理、電力電子技術(shù)及電機(jī)拖動技術(shù)等課程的很多知識點(diǎn)，所以，本次課程設(shè)計也是對以前課程的一次梳理和升華。本次課程設(shè)計我受益良多，本課程設(shè)計的要點(diǎn)是設(shè)計轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通過查閱大量的書籍專業(yè)網(wǎng)站、論壇的方式，找尋所需資料，反復(fù)比對研究有關(guān)資料，最后按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法的基本思路，簡化問題，突出主要矛盾。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；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。先設(shè)計內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器，然后把電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，完成設(shè)計要求。在此過程中，我進(jìn)一步深化了對這門課程課本所學(xué)知識的理解，通過實(shí)際設(shè)計系統(tǒng)，鍛煉了我應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，是對我綜合素質(zhì)的一次提高。