電力拖動自動控制系統課程設計

1、課程設計任務說明書某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據為：直流電動機：，,，電樞回路總電阻，電樞電路總電感,電流允許過載倍數，折算到電動機軸的飛輪慣量。晶閘管整流裝置放大倍數，滯后時間常數電流反饋系數電壓反饋系數濾波時間常數，;調節(jié)器輸入電阻。設計要求：穩(wěn)態(tài)指標：無靜差；動態(tài)指標：電流超調量；采用轉速微分負反饋使轉速超調量等于0。目錄第一節(jié) 雙閉環(huán)調速系統第二節(jié) 雙閉環(huán)調速系統的性能分析第三節(jié) 雙閉環(huán)系統設計第四節(jié) 基于matlab/simulink的調速系統的仿真第五節(jié) 心得體會參考文獻第一節(jié) 雙閉環(huán)調速系統一、采用雙閉環(huán)調速系統的原因采用轉速負反饋和pi調節(jié)

2、器的單閉環(huán)調速系統可以再保證系統穩(wěn)定的條件下實現轉速無靜差。但對于要求較高的動態(tài)性能的場合，由于單閉環(huán)系統中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩，因而難以滿足控制需求。為了實現在最大電流受限制的條件下調速系統最快起動過程，要求在充分利用電機的允許過載能力，在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉速后，又讓電流立即降低下來，使轉速和負載相平衡，從而轉入穩(wěn)定運行狀態(tài)。理想的起動過程波形如圖1-1所示。采用雙閉環(huán)調速系統完全可以達到上述要求，在起動過程中只有電流負反饋，而不讓他和朱安度負反饋圖施加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又靠轉速的

3、負反饋作用，不再依靠電流負反饋起主要作用。圖1-1 調速系統理想快速起動過程二、轉速和電流雙閉環(huán)調速系統的組成為實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖1-1所示。這就是說，把轉速調節(jié)器的輸出當做電流調節(jié)器的輸入，再利用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)器在里面，叫做內環(huán)；轉速還在外變，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。圖1-1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統的兩個調節(jié)器一般都采用pi調節(jié)器，其原理圖示與圖1-2。在圖上標出了兩個調節(jié)器輸入輸

4、出點電壓的實際極性，它們是按照觸犯裝置gt的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示出，兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉速調節(jié)器asr的輸出限幅（飽和）電壓是，它決定了電流調節(jié)器給定電壓的最大值；電流調節(jié)器的輸出限幅電壓是，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。圖 1-2 雙閉環(huán)調速系統電路原理圖第二節(jié) 雙閉環(huán)調速系統的性能分析一、靜特性和穩(wěn)態(tài)結構圖為了分析雙閉環(huán)調速系統的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖2-1所示。他可以很方便的根據圖1-2的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示pi調節(jié)器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的pi調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一

5、般存在這樣兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。檔調節(jié)器飽和時。輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向輸入信號使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出之間的聯系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，pi調節(jié)器的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。圖2-1 雙閉環(huán)調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖二、雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)性能1、動態(tài)數學模型雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖如圖2-2所示，圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。為了引出電流反饋，電動機的動態(tài)結構圖中必須把電樞電流顯露出來。圖2-2 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖2、起動過程分析雙閉環(huán)調速系統是建立在但

6、閉環(huán)調速系統上的，實際的調速系統除要求對轉速進行調整外，很多生產機械還提出了加快啟動和制動過程的要求，這就需要一個電流截止負反饋系統。由圖2-3啟動電流的變化特性可知，在電機啟動時，啟動電流很快加大到允許過載能力值，并且保持不變，在這個條件下，轉速得到線性增長，當開到需要的大小時，電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值，對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為,隨著轉速n的上升，也上升，達到穩(wěn)定轉速時，。3、動態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調速系統起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路的不可逆性，跟隨性能變差。對于電流內環(huán)來說，在

7、設計調節(jié)器時應強調有良好的跟隨性能。4、動態(tài)抗擾性能負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉速調節(jié)器來產生抗擾作用。因此在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)轉速降（升）。為減少動態(tài)速降（升），設計asr時必須要求系統有較好的抗擾性能指標。同時，由于電網電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內，當電壓波動時可以通過電流反饋得到及時的調節(jié)，不必等到影響到轉速之后才有所反應。第三節(jié) 雙閉環(huán)系統設計在進行多環(huán)控制系統的的設計時，一般的設計原則是：從內環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步想外環(huán)擴展。在這里是，先從電流環(huán)入手，首先設計好電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是調節(jié)系統中的一個環(huán)節(jié)，再對轉速換進行設計。雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖如圖

8、3-1所示，它增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定濾波環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為平衡這一遲滯作用，通常在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環(huán)節(jié)，乘坐給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號和反饋信號經過形同的延滯，是二者在時間上得到恰當的配合，從兒帶來設計上的方便。圖3-1 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖一、電流環(huán)的設計1.時間常數（1）整流裝置滯后時間常數。由電力拖動自動控制系統中表1-2查得，三相橋式電路的平均失控時間為。（2）電流濾波時間常數（3）電流環(huán)小時間常數按小時間常數近似處理，取。2.選著電流調節(jié)器結構根據設計要求：，而且因

9、此可按典型i型系統設計。電流調節(jié)器選用pi型，其傳遞函數為3.選擇電流調節(jié)器參數acr超前時間常數：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應?。ㄒ姳?-2），因此于是，acr的比例系數為4.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率（1）晶閘管裝置傳遞函數近似條件：現在，滿足近似條件。（2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：根據題意，得則即有現在滿足近似條件。（3）小時間常數近似處理條件：現在滿足近似條件。4.計算調節(jié)器電阻和電容圖3-2 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調節(jié)器電流調節(jié)器原理圖如圖3-2，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下， 取， 取, 取按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：（見表2-2），滿

10、足設計要求。二、轉速環(huán)的設計1.確定時間常數（1）電流環(huán)等效時間常數為（2）轉速濾波時間常數根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取（3）轉速環(huán)小時間常數按小時間常數近似處理，取2.選擇轉速調節(jié)器結構由于設計要求無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據動態(tài)要求，應按典型型系統設計轉速環(huán)。故asr選用pi調節(jié)器，其傳遞函數為3.選擇轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則asr的超前時間常數為轉速環(huán)開環(huán)增益于是，asr的比例系數為4.校驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為 （1） 電流環(huán)傳遞函數簡化條件：現在滿足簡化條件。（2）小時間常數近似處理條件：現在滿足近似條件。5.計算調節(jié)器電阻和電容圖 3-3

11、 帶微分負反饋的轉速調節(jié)器轉速調節(jié)器原理圖如圖3-3，取，則 取 取 取 取 取至此，雙閉環(huán)調速系統的轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器設計完畢。第四節(jié) 基于matlab/simulink的調速系統的仿真一、仿真軟件介紹利用matlab下的simulink軟件和電力系統模塊庫(simpowersystems)進行系統仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統的模型，并通過simulink環(huán)境中的菜單直接啟動系統的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來。掌握了強大的simulink工具后，會大大增強用戶系統仿真的能力。 在工程設計時，首先根據典型i型系統或典型型系統的方法計算調節(jié)器參數

12、，然后利用matlab下的simulink軟件進行仿真，靈活修正調節(jié)器參數，直至得到滿意的結果。也可用matlab仿真軟件包的設計工具箱設計其它各種控制規(guī)律的調節(jié)器，鑒于篇幅不一一展開。二、仿真設計通過對整個控制電路的設計，用matlab/simulink對整個系統進行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)數學模型，可以參考該系統的動態(tài)結構形式，雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)結構框圖如3-1圖所示。仿真模型與系統動態(tài)結構圖的各個環(huán)節(jié)基本上是對應的，需要指出的是，雙閉環(huán)系統的轉速和電流兩個調節(jié)器都是有飽和特性和帶輸出限幅的pi調節(jié)器，為了充分反映在飽和和限幅非線性影響下調速系統的工作情況，需要構建考慮

13、飽和和輸出限幅的pi調節(jié)器。模型中比例和積分調節(jié)分為兩個通道，其中積分調節(jié)器intergrate的限幅表示調節(jié)器的飽和限幅值，而調節(jié)器的輸出限幅值有飽和模塊saturation設定。當該調節(jié)器用作轉速調節(jié)器asr時，在起動中由于開始轉速偏差大，調節(jié)器輸出很快達到輸出限幅值，在轉速超調后首先積分器退飽和，然后轉速調節(jié)器輸出才從限幅值開始下降。為了是系統更簡潔，利用了simulink的打包功能將調節(jié)器模型縮小為一個分支模塊。三、仿真結果基于matlabsimulink仿真軟件的轉速、電流雙閉環(huán)調速系統仿真模擬圖如圖4-1所示。圖4-2 雙閉環(huán)調速系統輸出轉速波形圖4-3 雙閉環(huán)調速系統電流環(huán)電流輸

14、出波形第五節(jié) 心得體會兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。課程設計給我們提供了專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練的機會，通過這次課程設計，綜合運用了本專業(yè)所學各門課程的理論，同時也使本學期電力拖動控制系統課程中的知識得到了鞏固和加強。特別是對電流、轉速雙閉環(huán)調速系統的調速性能、設計步驟以及設計方法都有了較為深刻的認識和理解。在對轉速、電流雙閉環(huán)控制器的設計中，有不少參數的計算方法以及課本中提供的公式不理解，但是通過同組同學的幫助以及在機上網查閱資料都將這些問題一一解決。在對雙閉環(huán)系統進行仿真實驗時，轉速輸出為負無窮大，輸入偏差電壓為衡值，導致系統失去穩(wěn)定性。通過同學的幫忙，最后在matlab中重新搭建仿真模擬結構圖，才克服了系統失穩(wěn)的問題并使最終輸出電流、轉速波形達到設計預期的要求。通過這次課程設計，我學會了matlab仿真軟件中simulink模塊進行仿真實驗的使用。同時各科相關的課程都有了全面的復