自動控制論文-單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、徐州師范大學(xué)試卷 （2010-2011學(xué)年度 1 學(xué)期）課程名稱 ： 自動控制原理試卷類型：（開卷）學(xué) 院 電氣工程及自動化學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化學(xué)院班 級 學(xué) 號 姓 名 單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)郝建軍（徐州師范大學(xué)電氣學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè) ，江蘇 徐州 ）目錄1中文摘要 - 2 -2英文摘要 - 2 -3電力拖動簡介 - 3 -4設(shè)置參數(shù) - 3 -5方案確定 - 3 -5.1方案的采用 - 3 -5.1.1調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 - 3 -5.1.2主電路的采用 - 3 -5.1.3控制電路方案的采用 - 4 -6主電路設(shè)計(jì) - 4 -7控制電路設(shè)計(jì) - 5 -7.1 穩(wěn)態(tài)性能

2、分析（流程圖） - 6 -7.2穩(wěn)定性分析 - 6 -7.3 閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù) - 7 -7.4系統(tǒng)動態(tài)過程 - 8 -7.5校正環(huán)節(jié) - 9 -8結(jié)束語 - 9 -9參考文獻(xiàn) - 9 -1. 摘要內(nèi)容摘要：在對調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域，如果直流電動機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不滿足要求，可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可利用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。 通過對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測速電機(jī)等模塊的理論分析，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)

3、模型。然后用此理論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能 穩(wěn)定性 開環(huán) 閉環(huán)負(fù)反饋 靜差2.The design and simulation ofSingle loop dc speed control systemAbstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc systems steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate

4、 precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator. Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable powe

5、r, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the cl

6、osed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system.Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset3. 電力拖動簡介電力拖動是利用電動機(jī)拖動生

7、產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)使之運(yùn)轉(zhuǎn)的一種方法。由于各種生產(chǎn)機(jī)械的工作性質(zhì)和加工工藝不同，對電動機(jī)的控制要求也不同。要使電動機(jī)按照生產(chǎn)機(jī)械的要求正常、安全、高效、節(jié)能地運(yùn)轉(zhuǎn)，必須配備由一定的電器組成的控制線路。4. 設(shè)置參數(shù)【自設(shè)】電動機(jī)參數(shù)：PN=3KW, nN=1000rpm,UN=220V,IN=17A,Ra=1.5 。主回路總電阻R=3，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.020s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.080s。三相橋式整流電路，Ks=45。測速反饋系數(shù)a=0.07。調(diào)速指標(biāo)：D=10，S=5%。5.方案論述5.1方案的采用5.1.1調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速電機(jī)降壓起動是為了避免高啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流峰值,減小電動機(jī)啟

8、動過程的加速轉(zhuǎn)矩和沖擊電流對工作機(jī)械、供電系統(tǒng)的影響。特點(diǎn)：在保持他勵(lì)直流電動機(jī)的磁通為額定值的情況下，電樞回路不串入電阻，將電視兩端的電壓，即電源電壓降低為不同的值時(shí)，可以獲得與電動機(jī)固有機(jī)械特性相互平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速 方向是基速以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級平滑調(diào)速，而且低速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性基本保持不變。所以得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很高，而且能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。但對于可調(diào)的直流電源成本投資相對其他方法較高。又由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種的直流調(diào)壓方法，可分為如下兩種：1）使用晶閘管可控整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)；2）使用脈寬調(diào)制的晶體管功率放大器調(diào)

9、速系統(tǒng)。故系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)電樞電壓的調(diào)速方法。這種可以獲得與電動機(jī)的固有機(jī)械特性相平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速方向是基速以下只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級平滑調(diào)速，而且低速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性基本上保持不變所以得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很寬，而且可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。鑒于以上對各種調(diào)速可行性方案的論述本，本系統(tǒng)將采用調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速方法以滿足生產(chǎn)工藝的要求。5.1.2主電路方案的采用主電路主要是指電源裝置和執(zhí)行裝置（直流電動機(jī)），由于電動機(jī)是我們的控制對象，所以就對電源裝置進(jìn)行可行性和優(yōu)越性的比較論證。直流電動機(jī)的調(diào)速方法有兩種，具體為：1）使用脈沖寬度調(diào)制晶體管功率放大器，即采用PWM的調(diào)

10、壓調(diào)速控制；2）使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速?？紤]到第二種的優(yōu)點(diǎn)，可調(diào)電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調(diào)壓調(diào)速。晶閘管可控整流裝置調(diào)速通過晶閘管的導(dǎo)通角的移相，改變觸發(fā)角，從而改變電壓的導(dǎo)通時(shí)間，改變電壓的平均值。電路如下：圖 晶閘管可控整流裝置電路電路特點(diǎn)：電路直接由交流轉(zhuǎn)換為直流，所以效率比較高。其次，整流裝置時(shí)SRC，容量相對IGBT而言，比較大，電動機(jī)的容量就可以做的相對較大，可靠性也比較高，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的對象電機(jī)的容量是3KW，可以很好地滿足容量的要求，再次，觸發(fā)電路也比較簡單，有現(xiàn)成的集成觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)起來相對簡單。不過由于也存在正反兩組的問題，所以也要考慮邏輯控制問

11、題，以免發(fā)生環(huán)路導(dǎo)通短路事故。5.1.3控制電路方案的采用采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋的方法；方案論證：采用才用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋的方法，能實(shí)現(xiàn)比較方便，快捷，成本低，而且系統(tǒng)調(diào)試等簡單。但是此方法又有其缺點(diǎn)，在啟動過程總系統(tǒng)是非線性的，而且是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程，不能簡單地將最大負(fù)荷時(shí)的電流值定為電流截止負(fù)反饋的限制值，這將影響電動機(jī)的啟動時(shí)間，而且難以把握電流的動態(tài)過程。由于直流電動機(jī)在起動、堵轉(zhuǎn)或過載時(shí)會產(chǎn)生很大的電流，這樣大的電流會燒壞晶閘管元件和電機(jī)，因而要加以限制。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入哪個(gè)物理量的負(fù)反饋。系統(tǒng)中若引

12、入電流負(fù)反饋，雖然電流不會過大，但是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中如果存在電流負(fù)反饋，將會使靜特性變軟，影響調(diào)速精度，而這又是我們希望避免的。如果能做到電流負(fù)反饋在正常運(yùn)行時(shí)不起作用，而在過電流情況下起電流負(fù)反饋?zhàn)饔?。為此，可以通過一個(gè)電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過某個(gè)允許值時(shí)才起作用，這就是電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)6.主電路設(shè)計(jì)電動機(jī)參數(shù)：PN=3KW, nN=1000rpm,UN=220V,IN=17A,Ra=1. 5。主回路總電阻R=3 ，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.020s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.080s。三相橋式整流電路，Ks=45。測速反饋系數(shù)a=0.07。調(diào)速指

13、標(biāo)：D=10，S=5 %。變壓器的副邊電壓的確定：因?yàn)閁N=220V，整定的范圍在30150之間，所以由三相全控整流公式：UD=2.34U2cos,當(dāng)在30時(shí)又最大值，算出U2=108.5V，所以可以選擇U2=120V。晶閘管參數(shù)的計(jì)算：由于電動機(jī)電流的大小為17A，即最大電流為：Imax=17A.又由整流輸出的電壓Ud=UN=220V，進(jìn)線的線電壓是120V。由電路分析可知，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器的二次線電壓的電壓峰值。即有晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即考慮安全性裕量，選擇電壓裕量為2倍的關(guān)系，電流裕量選為1.5倍的關(guān)系，所以工作的晶閘管的額定電壓容量的參數(shù)可選擇為：電

14、樞回路的平波電抗器的計(jì)算：電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)保證電流連續(xù)，取此時(shí)的電流為額定電流的5%10%。則電樞需要串入的電樞電抗大小可以算為： （其中La為電樞的固有電抗值）7.控制電路設(shè)計(jì)控制電路采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制，采用閉環(huán)系統(tǒng)可以比開環(huán)系統(tǒng)獲得更硬的機(jī)械特性，而且靜差率比開環(huán)是小得多，并且在靜差率一定時(shí)，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。但在閉環(huán)式必選設(shè)置放大器。如果只采用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍然是有靜差的，這樣的系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)，它依賴于被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制，而反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定，但反饋控制系統(tǒng)所能抑制的知識被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。 采用PI調(diào)節(jié)

15、器的負(fù)反饋無靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖調(diào)節(jié)器的輸出限幅值的確定：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定電流給定電壓的最大值，其輸出決定了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。對于本系統(tǒng)：設(shè)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定時(shí)的給定電壓為+7.5V，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出最大限幅值為5V，Ks=40。開始加給定電壓電容短路PI控制器實(shí)現(xiàn)快速控電容C充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)電容C開路獲得極大開環(huán)放大系數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差結(jié)束比例積分調(diào)節(jié)器控制流程圖7.1 穩(wěn)態(tài)性能分析為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為穩(wěn)態(tài)速差為因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。7.2穩(wěn)定性分析當(dāng)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成無靜差系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)的動態(tài)過程圖如下tI

16、d2M2M1Id1M0Tstnnmax321tud無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋擾動過程【A】 設(shè)Id1為相應(yīng)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩M1時(shí)的電樞電流，電機(jī)穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速為n1，可控硅整流平均電壓為Ud1。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由M1突增至M2時(shí)，由于電樞電流不能瞬間增加，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩將小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，負(fù)載電壓Ufn也要下降，就在PI調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)了偏差U=Ug-Uf。它的輸出端有兩個(gè)分量，其中比例輸出分量的數(shù)值與U成正比，等于KpU，使可控硅整流輸出增加Ud1，如圖【A】中曲線。轉(zhuǎn)速偏差越大，Ud1越大。該電壓使電機(jī)增大轉(zhuǎn)矩，阻止轉(zhuǎn)速的下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速回升后，它的作用減少至零。曲線1的形狀與轉(zhuǎn)速變化過程n(t)相似。調(diào)節(jié)

17、器的積分分量是U的積分。開始時(shí)為零，隨著時(shí)間的增加而增大。它使可控硅輸出電壓增加如圖【A】中曲線2所示。可見它的作用隨U主要表現(xiàn)在調(diào)解過程的后半段。鞥到轉(zhuǎn)速回升后，雖然U消失了，Ud2不再增加了，但調(diào)解器保持著最后的積分?jǐn)?shù)值不變。比例與積分總和效果如圖【A】中曲線3所示。由此可以看出，擾動調(diào)節(jié)過程的開始段，比例分量起主導(dǎo)作用，它首先阻止轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，使轉(zhuǎn)速回升。中間階段，兩個(gè)分量同時(shí)其作用，到了調(diào)節(jié)過程末端，轉(zhuǎn)速偏差已經(jīng)很小了，比例分量幾乎不起作用，而積分分量上伸到主要地位。最后積分調(diào)節(jié)的作用一定要把負(fù)載增大引起的轉(zhuǎn)速將完全抵消?？箶_性能的好壞，主要看動態(tài)速降最大值的大小，回復(fù)時(shí)間Ts的長短

18、和最終靜差為零。所以用PI調(diào)節(jié)器控制的調(diào)速系統(tǒng)，不論對突加給定，還是抑制負(fù)載擾動，都能達(dá)到較好的動、靜態(tài)特性，是目前用的比較普遍的一種方法。7.3 閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù) 先計(jì)算電動機(jī)的電動勢系數(shù) 則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為7.4系統(tǒng)動態(tài)過程計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K48.285則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)為實(shí)取Kp=3。運(yùn)算放大器的參數(shù)選取為：根據(jù)所用運(yùn)算放大器的型號取R0=20K，則R1=KpR0=320=60K。En 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，必須在擾動作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，從圖可以看出

19、，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)以后，已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，故從靜態(tài)無差考慮需要型系統(tǒng)。從動態(tài)性能上看，考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能是一致的，而典型型系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。所以，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該按典型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖可以明顯地看出，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中 Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)；比例積分（PI）調(diào)節(jié)器這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令n=hTn，h=5，n=hTn=50.331=1.655 s則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為7.5校正環(huán)節(jié)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)用PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正， PI校正犧牲了系統(tǒng)的快速性，而系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度變好。8.結(jié)束語經(jīng)過這次的