運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計：雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計專 業(yè)： 自動化 設(shè)計題目：雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計班級： 自動化0942學(xué)生姓名： 周孝紅學(xué)號： 08 指導(dǎo)教師： 雷霞 分院院長： 許建平 教研室主任： 葉天遲 電氣工程學(xué)院一、課程設(shè)計任務(wù)書 1.設(shè)計參數(shù) 三相橋式整流電路，已知參數(shù)為：pn=555kw,un=750v,in=760a,nn=375r/min,電動勢系數(shù)ce=1.82v.min/r,電樞回路總電阻r=0.14，允許電流過載倍數(shù)=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)ks=75,電磁時間常數(shù)tl=0.031s,機電時間常數(shù)tm=0.112s電流反饋時間常數(shù)toi=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)ton=0.0

2、2s。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓u*nm=u*in=u*cm=10v,調(diào)節(jié)器輸入電阻r0=40k。2.設(shè)計內(nèi)容1）根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2） 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。3）動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定asr調(diào)節(jié)器與acr調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。4） 利用matlab進行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。3.設(shè)計要求： 1）該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。

3、2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3）動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%，電流超調(diào)量，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）。4)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)。5)主電路采用三項全控橋。4. 課程設(shè)計報告要求 1）、要求在課程設(shè)計答辯時提交課程設(shè)計報告。2）、報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：a、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計simulink仿真b、系統(tǒng)調(diào)試過程介紹，在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，解決辦法等；c、課程設(shè)計總結(jié)。包括本次課程設(shè)計過程中的收獲、體會，以及對該課程設(shè)計的意見、建議等；d、設(shè)計中參考文獻列表；e、報告使用b5紙打印，全文不少于2000

4、字。5. 參考資料1 朱仁初，萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計手冊m.北京：機械工業(yè)出版社，1994.2 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)m.北京：機械工業(yè)出版社，2006.3 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)m,第三版. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007年6月4 孔凡才晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)m北京:北京科技出版社，19855 段文澤，童明倜.電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設(shè)計m.四川：重慶大學(xué)出版社,1989.10.6 運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書. 6. 設(shè)計進度（2012年12月3日至12月14日）時 間設(shè)計內(nèi)容12月3日布置設(shè)計任務(wù)、查閱資料12月4日-12月7日方案論證及總體設(shè)計12月10日-

5、12月13日系統(tǒng)調(diào)試及整理課程設(shè)計報告12月14日課程設(shè)計答辯7. 課程設(shè)計時間及地點2012年12月3日2012年12月14日上午8：0011：00；下午13：0016：00設(shè)計地點：新實驗樓，運動控制實驗室（310）二、評語及成績考核項目考核內(nèi)容評估標準等級完成情況（50）方案設(shè)計（15）優(yōu)：設(shè)計方案合理，內(nèi)容正確，有獨立見解或創(chuàng)造性；良：方案正確，有一定見解； 中：設(shè)計方案及內(nèi)容基本正確，分析問題基本正確，無原則性錯誤； 及：設(shè)計方案及內(nèi)容基本合理，分析問題能力較差，但無原則性錯誤；不及：設(shè)計方案不合理，有嚴重的原則性錯誤；優(yōu)良中 及不及技術(shù)指標（20）優(yōu)：各項指標均完全達到良：各項指標

6、基本達到，只有一項指標有微小差距中：有一項指標沒有達到及：有兩項指標沒有達到不及：有三項指標以上沒有達到優(yōu)良中 及不及設(shè)計報告（15）優(yōu)：設(shè)計報告內(nèi)容正確，完整，規(guī)范，圖面質(zhì)量好，且符合國家制圖標準；良：設(shè)計報告內(nèi)容正確，較完整，規(guī)范，圖面質(zhì)量較好，且符合國家制圖標準；中：設(shè)計報告內(nèi)容有個別錯誤，較完整，較規(guī)范，圖面質(zhì)量一般； 及：設(shè)計報告內(nèi)容基本正確完整，較規(guī)范，有多個錯誤；不及：設(shè)計報告內(nèi)容中不加消化，照搬照抄；優(yōu)良中 及不及綜合能力（30）設(shè)計實施能力（15）優(yōu)：能夠自行利用現(xiàn)有資料，對設(shè)計方案進行合理分析，方案確定正確，程序設(shè)計合理，工具軟件使用熟練；良：在教師指導(dǎo)下能夠利用現(xiàn)有資料，

7、對設(shè)計方案進行合理分析，方案確定正確，程序設(shè)計合理，工具軟件使用熟練；中：在教師指導(dǎo)下能夠利用現(xiàn)有資料，對設(shè)計方案進行合理分析，方案確定較正確，程序設(shè)計較合理，工具軟件使用較熟練；及：教師指導(dǎo)參與過多，才能夠利用現(xiàn)有資料，對設(shè)優(yōu)良中 及不及考核項目考核內(nèi)容評估標準等級綜合能力（30）設(shè)計實施能力（15）計方案進行檢驗，程序設(shè)計較合理，工具軟件使用較熟練；不及：不能在教師指導(dǎo)下完成規(guī)定的設(shè)計方案檢驗。故障處理能力（15）優(yōu)：能夠自行對硬件和程序出現(xiàn)的問題，進行合理、高效的解決；良：在教師指導(dǎo)下能夠較好處理硬件和程序出現(xiàn)的問題，并能夠消化吸收；中：在教師指導(dǎo)下能夠基本處理硬件和程序出現(xiàn)的問題，有一

8、定的分析能力；及：教師指導(dǎo)參與過多，才能夠完成硬件和程序出現(xiàn)的問題；不及：不能在教師指導(dǎo)下完成故障的處理。優(yōu)良中 及不及基本素質(zhì)（20）安全文明操作（10）優(yōu)：沒有發(fā)生任何安全事故和設(shè)備、設(shè)計現(xiàn)場整齊規(guī)范；良：沒有發(fā)生任何安全事故和設(shè)備，設(shè)計現(xiàn)場較整齊規(guī)范；中：沒有發(fā)生任何安全事故和設(shè)備，設(shè)計現(xiàn)場欠整齊；及：沒有發(fā)生安全事，現(xiàn)場長期臟、亂差，或造成材料浪費不及：發(fā)生安全事，或現(xiàn)場長期臟、亂差，或造成材料浪費優(yōu)良中 及不及勞動紀律（10）優(yōu)：能完全遵守課程設(shè)計管理制度和作息制度，無違紀行為良：能遵守課程設(shè)計管理制度和無曠工行為，遲到/早退1次中：能遵守課程設(shè)計管理制度和無曠工行為，遲到/早退2次

9、及：違反守課程設(shè)計管理制度，或有1次曠工、或遲到/早退3次不及：勞動紀律出現(xiàn)重大問題，取消成績優(yōu)良中 及不及總成績：指導(dǎo)教師:等級評分標準：優(yōu)=90上，良=8980,中=7970,及=6960，不及=60下運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告班 級： 自動化0942 姓 名： 周孝紅 學(xué) 號： 08號 指導(dǎo)教師： 雷霞 撰寫日期： 2012-12-11 目錄 目 錄緒論1第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析21.1 課程設(shè)計題目21.2 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析21.2.1 課程設(shè)計內(nèi)容21.3 課程設(shè)計要求分析2第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理42.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹42.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

10、組成52.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性62.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型82.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型82.4.2 起動過程分析9第三章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計123.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計原則123.2 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較123.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計133.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡和結(jié)構(gòu)的選擇133.3.2 時間常數(shù)的計算153.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)153.3.4 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)163.3.5 校驗近似條件163.3.6 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容173.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計183.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡183.4.2 確定時間常數(shù)193.4.3 選

11、擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)193.4.4 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)203.4.5 檢驗近似條件203.4.6 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容21第四章 simulink仿真234.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計234.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計234.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計25課程設(shè)計總結(jié)26參考文獻27緒論緒 論許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快

12、、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(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)速負反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機

13、的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回

14、路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。1第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析1.1 課程設(shè)計題目 雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1.2 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析1.2.1 課程設(shè)計內(nèi)容 1.設(shè)計參數(shù) 三相橋式整流電路，已知參數(shù)為：電動機的各項參數(shù):pn=555kw,un=750v,in=760a,nn=375r/min,電動勢系數(shù)ce=1.82v.min/r,電樞回路總電阻r=0.14，允許電流過載倍數(shù)=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)ks=75,電磁時間常數(shù)tl=0.031s,機電時間常數(shù)tm=0.112s電流反饋時間常數(shù)toi=0.002s

15、,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)ton=0.02s。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓u*nm=u*in=u*cm=10v,調(diào)節(jié)器輸入電阻r0=40k。2.設(shè)計內(nèi)容1）根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2） 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。3）動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定asr調(diào)節(jié)器與acr調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。4） 利用matlab進行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。1.3 課程設(shè)計要求分析1）該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)

16、速調(diào)速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3）動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%，電流超調(diào)量，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）。4)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)。5)主電路采用三項全控橋。27第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(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

17、反饋和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)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。idlntidoidmidlntidoidmidcrnn

18、(a)(b) (a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖2.1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形在實際工作中，我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下

19、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反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.2 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2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器

20、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。圖2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中u*n、un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；u*i、ui電流給定電壓和電流反饋電壓； as

21、r轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； acr電流調(diào)節(jié)器；tg測速發(fā)電機；ta電流互感器；upe電力電子變換器2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性ks a 1/ceu*nuctidenud0un+-asr+u*i-idr r b acr-uiupe圖2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，pi作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)

22、器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，= = （1-1）= = （1-2）由式（1-1）可得：n=從而得到靜特性曲線的ca段。與此同時，由于asr不飽和，可知，這就是說，ca段特性從理想空載狀態(tài)的id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，asr輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：= （1-3）其中，最大電流取決

23、于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的ab段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，asr將退出飽和狀態(tài)。圖2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。u*na uct-idlnud0un+-b -uiwasr(s)wacr

24、(s)ks tss+11/rtl s+1rtmsu*iid1/ce+e圖2.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.4.2 起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖2.6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、三個階段。圖2.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第一階段是電流上升階段。當突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動（n=0），轉(zhuǎn)速負反饋電壓，這時，很大，使asr的輸出突增為，ac

25、r的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當增加到（負載電流）時，電動機開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出很快達到限幅值，從而使電樞電流達到所對應(yīng)的最大值（在這過程中的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與acr的給定電壓基本上是相等的，即 （1-3）式中，電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，asr一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線

26、性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，asr的給定電壓與轉(zhuǎn)速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，使asr退出飽和，其輸出電壓（也就是acr的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電流，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。

27、在這個階段中asr與acr同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，asr處于主導(dǎo)地位，而acr的作用則力圖使盡快地跟隨asr輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負載電流，asr和acr的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。asr的輸出電壓為 （1-4）acr的輸出電壓為 （1-5）由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，asr處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時asr發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為

28、無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線形控制：隨著asr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)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當轉(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)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。（3）準時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(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)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最

29、優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。第三章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計第三章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計 3.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計原則為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)； 2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進行優(yōu)化設(shè)計

30、，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計算公式簡明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。3.2 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性

31、能比較 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為： 根據(jù)w(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、型、型系統(tǒng)。自動控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的，而型及型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用型、型系統(tǒng)，典型的型、型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-1） （2-2）一般說來典型型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖?，在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計為型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)

32、計應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時間常數(shù)ts和電流濾波時間常數(shù)toi一般都比電樞回路電磁tl小很多，可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié)，取ti=ts+toi。這樣，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計成典型型系統(tǒng)，同理，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式(2-1)。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成pi型調(diào)節(jié)器，如下式所示: （2-3）3.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡和結(jié)構(gòu)的選擇在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢

33、變化的動態(tài)影響，即de0。這時，電流環(huán)如圖3.1所示。 圖3.1 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：式中-電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成u*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。 圖3.2 等效成單位負反饋系統(tǒng)最后，由于ts 和 t0i 一般都比tl 小得多，可以當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 ti = ts + toi 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖3.3圖3.3 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理3.3.2 時間常數(shù)的計算1、直流電機參數(shù) pn=555kw, pn=555kw

34、,un=750v,in=760a,nn=375r/min,電動勢系數(shù)ce=1.82v.min/r,電樞回路總電阻r=0.14，允許電流過載倍數(shù)=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)ks=75。電磁時間常數(shù)tl=0.031s,機電時間常數(shù)tm=0.112s電流反饋時間常數(shù)toi=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)ton=0.02s。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓u*nm=u*in=u*cm=10v,調(diào)節(jié)器輸入電阻r0=40k。 2、整流裝置滯后時間常數(shù)ts=0.0017s。3、電流濾波時間常數(shù)toi=0.002s。4、電流環(huán)小時間常數(shù)之和ti=ts+toi=0.0017s +0.002s =0.0037s。5、

35、電樞回路電磁時間常數(shù)tl=0.031s。6、電力拖動系統(tǒng)機電時間常tm=0.112s。3.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)要求電流無靜差，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 （2-5）式中 ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ti 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項指標都是可

36、以接受的。3.3.4 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=tl=0.031s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，應(yīng)取kiti=0.5，因此于是，acr的比例系數(shù)為：3.3.5 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=ki=135.1s-1；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3.3.6 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容圖3.4 pi型電路調(diào)節(jié)器的組成按所用運算放大器取r0=40k，各電阻和電容值為：3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)

37、，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ui*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖3.5所示和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成u*n(s)/a，再把時間常數(shù)為1 / ki 和 t0n 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)，其中n (s)+-un (s)asrcetmsru*n(s)id (s)a t0ns+11 t0ns+1u*n(s)+-idl (s)圖3.5 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖3.6圖3.6 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖3.4.2 確定時間常數(shù)1、電流環(huán)等效時間常數(shù)1/ki。由電流環(huán)參數(shù)可知kiti=0.5，則2、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)ton。根據(jù)已知條件可知ton=0.02s3、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)tn。按小時間常數(shù)近似處理，取3.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負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