直流雙閉環(huán)調(diào)速

1、明金杰 1310300126一、初始條件：1 技術(shù)數(shù)據(jù)（1） 直流電機銘牌參數(shù)：PN =90KW, UN =440V, IN =220A, nN=1500r/min，電樞電阻Ra=0.088，允許過載倍數(shù)=1.5；（2） 晶閘管整流觸發(fā)裝置：Rrec=0.032，Ks=45-48。（3） 系統(tǒng)主電路總電阻：R=0.12（4） 電磁時間常數(shù)：T1=0.012s（5） 機電時間常數(shù)：Tm =0.1s（6） 電流反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.0025s，轉(zhuǎn)速率波時間常數(shù)：Ton=0.014s.（7） 額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓：Unm =10V（8） 調(diào)節(jié)器飽和輸出電壓：10V2 技術(shù)指標（1） 該調(diào)速系

2、統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），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s2）；（3） 動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量i5%，動態(tài)速 降n8-10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts1s；（4） 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施。二、設(shè)計要求：（1） 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖；（2） 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算。（3） 動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，用Mrmin準則設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)

3、構(gòu)型式及進行參數(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） 繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)線路圖（主電路、觸發(fā)電路、控制電路）； （5） 對所設(shè)計出的雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗，并給出仿真結(jié)果圖；（6） 整理設(shè)計數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計總結(jié)，對本課程設(shè)計提出新設(shè)想和新建議。三、設(shè)計基本思路轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。目前都采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。設(shè)計多環(huán)系統(tǒng)的一般方法是，由內(nèi)環(huán)向外環(huán)一環(huán)一環(huán)地進行設(shè)計。對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)而言，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)

4、，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計。然后通過MATLAB進行動態(tài)分析，根據(jù)分析情況更改實現(xiàn)方案，對參數(shù)進行調(diào)整等。四、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖目前，V-M調(diào)速系統(tǒng)多為帶電流內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。設(shè)計時需增加電流、轉(zhuǎn)速反饋濾波五節(jié)，以抑制反饋信號中的交流分量，同時在轉(zhuǎn)速、電流給定信號通道中加入兩個給定濾波器，其時間常數(shù)與相應(yīng)反饋濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)相等以平衡反饋濾波環(huán)節(jié)給定轉(zhuǎn)速、電流反饋信號帶來的延滯。相應(yīng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示，圖中，ASR和ACR為結(jié)構(gòu)和參數(shù)待定的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器。五、參數(shù)計

5、算1. 有關(guān)參數(shù)的計算a. 電動機的機電常數(shù)b. 三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時間c. 電流反饋系數(shù)為因為允許過載倍數(shù)=1.5，故最大允許電流d. 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)e. 電流給定和反饋濾波時間常數(shù)f. 轉(zhuǎn)速給定和反饋濾波時間常數(shù)2. 電流環(huán)的設(shè)計a. 電流環(huán)小時間常數(shù)b. 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇，根據(jù)設(shè)計要求，且因此可按典I系統(tǒng)設(shè)計，且選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為c. 確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)：要求時，應(yīng)按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計，取從而，ACR的比例系數(shù)為d. 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件滿足近似條件。小時間常數(shù)近似條件滿足近似條件。忽略反電

6、勢對電流環(huán)影響的條件滿足近似條件。e. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用運算放大器，則由有由得3. 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計a. 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)b. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能指標的要求，應(yīng)按典II系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，為此應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為c. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 為了使轉(zhuǎn)速環(huán)的跟隨性能和抗擾性能都較好，應(yīng)采用準則選擇參數(shù)，取h=5，因此ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為從而，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為d. 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件而滿足近似條件。小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。e. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電阻和電容 取輸入電阻，則f. 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 因為當h=

7、5時而所以 可見，所設(shè)計的系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求。必須注意：因為，對轉(zhuǎn)速環(huán)來說，忽略反電勢的條件并不成立，所以轉(zhuǎn)速超調(diào)量將比上面的計算值更小，更能滿足設(shè)計要求。六、系統(tǒng)仿真1. 使用普通限幅器進行仿真使用MATLAB的SIMULINK對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行動態(tài)函數(shù)分析，其分析原理圖如下：ASRACR圖中 ASR限幅值為：上限10 下限-130ACR限幅值為：上限100 下限-100圖中直流電動機的參數(shù)、晶閘管整流裝置的參數(shù)、轉(zhuǎn)速反饋以及電流反饋系數(shù)都是從設(shè)計要求中所得，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR是根據(jù)參數(shù)按工程設(shè)計法設(shè)計出來的。具體計算方法見本報告的參數(shù)計算。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATL

8、AB仿真中，電流調(diào)節(jié)器限幅相對來說比較簡單。只要給出合適的限幅值，采用任何一種限幅方式均不影響仿真結(jié)果，因為電機在整個起動過程中，電流調(diào)節(jié)器一直處于不飽和狀態(tài)。而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在電機起動過程中，會經(jīng)歷不飽和、飽和及退飽和三個狀態(tài)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用不同限幅方式，電機在突加階躍給定空載起動時會得到不同的轉(zhuǎn)速和電流波形。由以上原理圖可得出僅在PI調(diào)節(jié)器的輸出端簡單加一限幅環(huán)節(jié)時的起動轉(zhuǎn)速波形和電流波形。轉(zhuǎn)速波形圖電流波形圖從上圖可以看出，起動時轉(zhuǎn)速超調(diào)量較大，振蕩次數(shù)多，起動時間較長。這是因為速度調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值時，轉(zhuǎn)速并未達到給定值，偏差均大于零，積分部分的輸出一直在增加，這就可能使積分部分的輸出達

9、到很大的值。當轉(zhuǎn)速達到期望值后，積分調(diào)節(jié)器的輸出不能立即變小，而是需要經(jīng)過一段時間使積分調(diào)節(jié)器的輸出恢復到開始限幅瞬間的數(shù)值。在這段時間內(nèi)調(diào)節(jié)器暫時調(diào)節(jié)功能。此仿真并不能達到題設(shè)要求，為此必須對ASR和ACR進行改正。2. 積分輸出加限幅環(huán)節(jié)仿真下圖給出在積分輸出和調(diào)節(jié)器輸出后均加一限幅環(huán)節(jié)的Simulink仿真模型。在這一模型中，積分輸出后，再加限幅環(huán)節(jié)，即積分環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)分開。ASRACR圖中 ASR限幅值為：上限10 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-100ACR積分限幅值為：上限10 下限-10從以上的原理圖可得出轉(zhuǎn)速和電流波形如下

10、：轉(zhuǎn)速波形電流波形從以上圖可以看出，采用這種限幅方式時，電機受到擾動后，轉(zhuǎn)速回不到原來的轉(zhuǎn)速。這是由于電機起動時積分調(diào)節(jié)器的輸出很快達到限幅值，由于輸出的超調(diào)很小，所以在整個起動過程中，積分調(diào)節(jié)器也沒能退出飽和，使得PI的輸出一直保持在限幅值上。而當增加負載，速度降低，偏差增加，PI調(diào)節(jié)器仍維持在限幅值上，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不起作用。所以受到擾動后，電機的轉(zhuǎn)速回落不到原來的值。如果增加限幅值，又會使仿真結(jié)果如之前一樣。為此須對積分環(huán)節(jié)再加以改變。3. 使用積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器仿真下圖給出了積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器Simulink仿真模型。圖中不僅把PI調(diào)節(jié)器的比例部分和積分部分分開，對PI調(diào)節(jié)器的輸出

11、設(shè)置上、下限幅，還要對積分設(shè)置上、下限幅。而且這種積分是積分環(huán)節(jié)本身所帶的。在Simulink環(huán)境下，這種積分限幅的實現(xiàn)需要雙擊積分模塊，在對話框中選中Limit output項，然后設(shè)置上、下限幅。ASRACR轉(zhuǎn)速波形電流波形上圖中 ASR限幅值為：上限10 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-100ACR積分限幅值為：上限10 下限-10由上圖可知，轉(zhuǎn)速超調(diào)量較少符合要求，但發(fā)現(xiàn)電流上升過快，且相應(yīng)的調(diào)節(jié)時間較長，而通過多次試驗發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)ASR的限幅值可以改變調(diào)節(jié)時間，但這樣將會使到最后電流過大。如下圖：轉(zhuǎn)速波形電流波形上圖中 ASR限幅值為：上限40 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-100ACR積分限幅值為：上限10 下限-10加入負載后，轉(zhuǎn)速，電流波形如下：轉(zhuǎn)速波形電流波形上圖中 ASR限幅值為：上限10 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-100ACR積分限幅值為：上限10 下限-10七、結(jié)論使用積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器Simulink仿真模型的工作過程分三種情況：當積分器未飽和