直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)題目:學(xué) 院專業(yè)年級(jí) 13自動(dòng)化2班學(xué)生姓名龐超明 學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師 吳詩(shī)賢 職稱 講師日 期2016-11-30目錄摘要2一、設(shè)計(jì)任務(wù) 1、設(shè)計(jì)對(duì)象參數(shù)2、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 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2、建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 三、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的工程設(shè)計(jì) 1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 2、電流環(huán)設(shè)計(jì) 2.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 2.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算 3、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)13.1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 3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 10三、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真 1、系統(tǒng)仿真模型2、動(dòng)態(tài)，性能分析 四、總結(jié)16

2、參考文獻(xiàn) 摘要本設(shè)計(jì)通過(guò)分析直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖。同 時(shí)，采用工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，先 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后將整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器。遵從確定時(shí)間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)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(duì)調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)。之后，再對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)性能。最后用MATLAB件中的Simulink模塊對(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)雙閉環(huán) MATLAB/Simulink 仿真一、設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)對(duì)象參數(shù)系統(tǒng)中采用

3、三相橋式晶閘管整流裝置；基本參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：220V , 136A , 1500r/min , Ce=0.15V/( r.min-1),允許過(guò)載倍數(shù) 1.5。晶閘管裝置：Ks=50電樞回路總電阻：R=0.6Q時(shí)間常數(shù)：Tl=0.03s, Tm=0.2s反饋系數(shù)：a=0.007V/( r.min-1) , 3=0.05V/A反饋濾波時(shí)間常數(shù)：oi =0.002s, on=0.002s2、課程設(shè)計(jì)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(jì)。2.3利用Simulink建立仿真模型(須有較為詳細(xì)的建模過(guò)程說(shuō)明)，并分析系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)性能。2.4調(diào)試分析過(guò)程

4、及結(jié)果描述。列出主要問(wèn)題的出錯(cuò)現(xiàn)象、出錯(cuò)原因、解決方法 及效果等；2.5總結(jié)。包括課程設(shè)計(jì)過(guò)程中的學(xué)習(xí)體會(huì)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)器申級(jí)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(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)

5、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(dòng)過(guò)程電流和轉(zhuǎn)速為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm 的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)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(guò)程。所以，我們希望達(dá)到的 控制：?jiǎn)?dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，沒(méi)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(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)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(gè)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 稱申級(jí)

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(dòng)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(jì)1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,2、電流環(huán)設(shè)計(jì)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(wú)靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖 3 可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再?gòu)膭?dòng)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(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許 值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只

7、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I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對(duì)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：式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)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(jì)算（1）確定時(shí)間常數(shù)1） 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts。通過(guò)表1可得出，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts 0.0017s o2） 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。根據(jù)初始條件有Toi =0.002 So3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 T i o按小時(shí)間

8、常數(shù)近似處理，取T，Ts T。，礎(chǔ)37。S表1各種整流電路的失控時(shí)間(f 50HZ )整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax(mS)平均失控時(shí)間Ts(ms)單相半波2010單相橋式(全波)105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)書本設(shè)計(jì)要求i 5% ,并保證穩(wěn)態(tài)電壓無(wú)差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)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(duì)電源電壓的抗擾性能：Ti/T i 0.03s. 0.0037=8.1811,1參照表2的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。表2典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)

9、的關(guān)系130參數(shù)關(guān)系KT阻尼比(3)計(jì)算電灑節(jié)箏參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超'前時(shí)而常數(shù)：電流開(kāi)環(huán)W湍：書疝妻求Z血u 5%廣 丁是，AC雨任例燃為：0.5表3代際序客跟00037S0.39'0.80.251.0 '.003103s 0- '3,1 齡 KT1示禾1350|標(biāo)與參數(shù)申必系0.50-21 0.7074 0_0.691.00.6-0.5超調(diào)里0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間L6.6 T4.7 T3.3 T2.4 T峰值時(shí)間tp8.3 T6.2 T4.7 T3.6 T相角穩(wěn)定裕度76.3 069.9 065.559.2 051.8 0截止頻率c0.2

10、43 /T0.367 /T0.455 /T0.569 /T0.786 /T(4)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率： .K 135.1sCi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(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。, 1 一電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近彳如TT件3 滿足近似條件。i i3 , TsToi3、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)J1 38.73s 1 ci. 0.2s 0.03s 11180.8s 3 0.0017s 0.002sci3.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)WId(s)KI s(s 1)忽略敞廁WWF叫似Ki s(T is近似條件1)1T i

11、21ds s 1Ki KiWcii(s)為3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇式中cn 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。cn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)等效成.1 ,一這樣，原來(lái)是雙慣性Ts)電游對(duì)象廠經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只 有較小時(shí)間常數(shù)1/Ki 筋部性環(huán)節(jié)。 T1Ks校正后成典型n型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)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(jì)算(1) 確定時(shí)間常數(shù)A：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/Ki .已取KiT i 0.5,B:轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton .已知，Ton =0.02sC:轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T n(2) 選擇轉(zhuǎn)T調(diào)%結(jié)私 0.0074s 0.02s

12、 0.0274s按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(3) 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)10V nN 0.007V min/ r按照跟隨和抗擾性能的原則，取 h=5，則ASR勺超前時(shí)間常數(shù)為:轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：于是，ASR勺比例系數(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(jiǎn)化條件為2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l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(jì)運(yùn)用MATLAB Simulink來(lái)對(duì)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以及上面計(jì)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(dòng)態(tài)仿真模型（1）建模過(guò)程說(shuō)明1）進(jìn)入MATLAS接鍵入simulin

13、k命令，打開(kāi)Simulink模塊瀏覽器窗口2）打開(kāi)模型編輯窗口：選擇 File New Model菜單項(xiàng)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）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(duì)話框，通過(guò)修改對(duì) 話框內(nèi)容來(lái)設(shè)定模塊參數(shù)。詳見(jiàn)教材 P51-P54.各模塊參數(shù)修改見(jiàn)

14、下圖：（2）電流環(huán)動(dòng)態(tài)仿真模型及仿真曲線1）電流環(huán)動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)仿真模型：2 ）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(dòng)態(tài)性能分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 u/寸由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò) 程圖如上圖所示。由于在起動(dòng)過(guò)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(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成了圖中標(biāo)明的I、m三個(gè)階段。第I階段（0ti）是電流上升階段。突加給定電壓Un后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的 跟隨作用,Uc、Ud0、Id都跟著上升，

15、但是在Id沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前，電 動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id IdL后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)。由丁機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不 會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓 Un Un Un的數(shù)值仍較大， 其輸出電壓保持限幅值Uim，強(qiáng)迫電樞電流Id迅速上升。直到Id I dm , Ui Uim , 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR 很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一股不飽和。第皿階段（tit2）是包流升速階段。在這個(gè)階段中， ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn) 速環(huán)相當(dāng)丁開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為包值電流給的 Uim下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電 流Id包定,因而系統(tǒng)的加

16、速度包定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電 動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了 克服這個(gè)擾動(dòng)，Udo和Uc也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持Id包定。ACR采用 PI調(diào)節(jié)器時(shí)，為了使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓 Ui U J必須維 持一定的包值，也就是說(shuō)，Id應(yīng)略小丁 Idm。此外，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié) 作用，在起動(dòng)過(guò)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 有余地。第用階段（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 n no時(shí)，轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由丁積分作用還維持在限幅值 Uim, 所以電

17、動(dòng)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(kāi)始退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。但是，只要Id仍大丁負(fù)載電流IdL,轉(zhuǎn)速就 繼續(xù)上升。直到Id IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te Tl,則d"dt 0,轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t t3 時(shí)）。此后電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在t3t4時(shí)間內(nèi)，Id IdL, 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Id盡快的跟隨給定值 J ,即電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨 動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)是：1）飽和非線性控制。隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)

18、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(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線性控制理論來(lái)分析整個(gè)起動(dòng)過(guò)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(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu) 控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí) 間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過(guò)程I、II兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程 與理想起動(dòng)過(guò)程還有一些差距，不過(guò)這兩個(gè)階段只占全部起動(dòng)時(shí)間中的很小一部 分，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。四、總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課的一次課程設(shè) 計(jì)，主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制 系統(tǒng)一一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課是我們自動(dòng)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(guò)的模