自動控制原理課程設計---高壓變頻技術(shù)在水泥生產(chǎn)中的應用

1、精品文檔1 現(xiàn)場工藝簡介1.1 水泥生產(chǎn)工藝水泥的生產(chǎn)步驟，可分為以下八個步驟：原料的提取采礦原料的破碎原料的儲存和預均化原料的粉磨球磨機生料的均化和儲存煅燒生料通過旋風筒預熱后再進入回轉(zhuǎn)窯烘烤物料，煅燒成熟料水泥的粉磨根據(jù)水泥的品質(zhì)，混合其他的化學原料粉磨水泥 的儲存與運輸 其中物料的粉磨工藝流程是：電動機通過減速機帶動磨盤轉(zhuǎn)動，物料從下料口落到磨盤中央，在離心力的作用下向磨盤邊緣移動并受到磨輥的碾壓，粉碎后的物料離開磨盤，被高速向上的氣流帶至與立磨一體的別離器，粗粉經(jīng)別離器后返回到磨盤上，重新粉磨；細粉那么隨氣流出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置中收集下來。收塵風機的轉(zhuǎn)速收塵器所需風量主要由管磨機內(nèi)工

2、藝情況產(chǎn)量及粉的細度決定圖1-1 水泥生產(chǎn)工藝圖2 收塵風機的選擇 收塵機參數(shù)： 電動機參數(shù)： 熱變電阻柜參數(shù)： 變頻器技術(shù)指標：型號：Y4-73 No31.5F 型號：Y6304-8 型號：HTR 5-2 型號：Harsvert-A06/220流量：456200m3/h 額定電壓：6000V 額定功率：470KW 輸入電壓：6000V風壓：352kPa 額定電流：55A軸轉(zhuǎn)速：900r/min 額定頻率：50Hz3 各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分析 變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分析不象直流調(diào)速系統(tǒng)那樣概念清楚，解析直觀，其推導過程相當復雜，只能借助于計算機去求解。為了簡化推導過程，做了理想化假設：1.異步電動機

3、為理想的電機，即無鐵耗、無風阻、無磨擦、各相磁勢是正弦量，對應某頻率時電機所有參量為常量。2.可控硅整流器和電抗器組成一個理想的可調(diào)電流原，其阻抗為無窮大。3.把逆變器看作一個理想開關(guān)，即假設其膦理想變頻電流源。4.設給定不變，系統(tǒng)工作于某頻率。5.動態(tài)時恒壓頻比關(guān)系仍存在，即氣隙磁通始終保持不變，由于系統(tǒng)設置了微分校正環(huán)節(jié)，所以這種假設是成立的。由于作了以上假設，對于圖1的系統(tǒng)，電壓和頻率是協(xié)調(diào)工作的兩個通道，這樣就可以在分析電壓環(huán)時，不考慮頻率通道。此時，函數(shù)發(fā)生器的輸出電壓相當于在變頻調(diào)速中為保證電機恒壓頻比所需要的電壓。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流給定值，控制電流閉環(huán)?？梢哉J為依靠電流和電

4、壓的反應調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩，從而得到近似直流電動機調(diào)電樞電壓調(diào)速時的特性。3.1 電流源動態(tài)傳遞函數(shù)逆就器給異步機供電時，對于120度導電型同時有兩個可控硅導通，整流器也是如此，電流根本上總是同時流過整流變壓器的電動機，如所示。RBLBRBLB整流變壓器整流器逆變器電動機+ Ld-rdI1圖3-1 變流器對電動機供電的等效電路圖顯然此環(huán)節(jié)輸入量電壓Ud，輸出量是I1，其動態(tài)傳遞函數(shù)為： 3-1其中 反應信號為電壓時電機等效傳遞函數(shù)從異步電動機的等值電路可得到： 3-2由前假設可知，在額定負載時，歸算過來的轉(zhuǎn)子電路根本上成為電阻性的，所以轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)很高，在滿載情況下，Im可以忽略，這時

5、有 3-3在電流型逆變器中，逆變器的可控量是異步電動機的定子電流。根據(jù)3-3式知道，確定了定子電流就確定了轉(zhuǎn)子電流，也就確定了轉(zhuǎn)矩。由于，所以異步電動機的轉(zhuǎn)矩 3-4根據(jù)電動機機械運動方程式并考慮到3-4式可得 3-5又有U1E1=Ken 代入上式得對上式兩邊取拉氏變換即可得到電機的等效傳遞函數(shù)：I1-IfzS=TmU1SS即 3-6其中 ，是電動機積分時間常數(shù)。3.2 可控硅及觸發(fā)電路傳遞函數(shù)可控硅及觸發(fā)電路的傳遞函數(shù)和直流整流系統(tǒng)一樣。整流器的整流電壓是輸出量，電流調(diào)節(jié)器輸出即觸發(fā)器的控制電壓Uk是輸入量，其傳遞函數(shù)為：WS=Ks/1+TsS其余反應五一節(jié)的傳遞函數(shù)和直流系統(tǒng)一樣。通過以上

6、各環(huán)節(jié)動態(tài)傳遞函數(shù)分析，我們可以畫出整個電壓通道的的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。顯然該系統(tǒng)為雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。從以上分析可見，根本思想是將異步機分析直流化。對于籠形電動機，它的勵磁電流和有效電流均由定子電流產(chǎn)生，這里是忽略了勵磁電流的影響，僅考慮其有效電流，它相當于直流電動機的電樞電源電流，從而得到與直流相近似的傳遞函數(shù)Ug + Ufv Ugi + Ufi Ui Ud I1 IfzU1 圖3-2 電壓通道的的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.3 系統(tǒng)的工程設計方法及舉例由以上分析可見，變頻調(diào)速系統(tǒng)的電壓通道是和直流機調(diào)速系統(tǒng)相似的雙閉環(huán)系統(tǒng)，因此其調(diào)節(jié)器的設計完全可以套用直流調(diào)速系統(tǒng)的

7、設計方法。現(xiàn)以軋機輥道傳動交流電機變頻可逆調(diào)速系統(tǒng).為例進行說明，系統(tǒng)組成如圖1-1所示，相應的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。系統(tǒng)參數(shù)為：異步電動機為JG2-52-13，20臺并聯(lián)，Ped=420，留余量取100KW；Ued=380V；Ied=11.420，取250A；ned=630r/min；f=50HZ；Y形接法；實測電機帶輥道轉(zhuǎn)動慣量GD2=20kgm2；rd=0.5，Ld=10Mh；r1+r2=2.5；L1+L2=7.04Mh；2rB=0.25；LB=0.14mh。給定值、電壓調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器限幅值及對應電壓反應和電流反應的額定值均整定為10V。4 系統(tǒng)的校正設計4.1 校正的根本方法動態(tài)

8、校正的方法很多，而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反應校正。串聯(lián)校正比擬簡單，也容易實現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務。PID調(diào)節(jié)器中有比例微分 PD、比例積分 PI和比例積分微分 PID三種類型。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正那么兼有二者的優(yōu)點，可以全面

9、提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復雜一些。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用 PD調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PI或PID調(diào)節(jié)器。在設計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖 ，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。正因為如此，伯德圖是電力拖動自動控制系統(tǒng)設計和應用中普遍使用的方法4.2 校正的根本原理在實際系統(tǒng)中，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計入因素的影響。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指

10、標是：相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 GM. 一般要求=3060，GM6dB保存適當?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動態(tài)過程振蕩弱、超調(diào)小。在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻上的分割方法也不盡相同，這并不影響對系統(tǒng)性能的定性分析。圖,.3繪出了自動控制系統(tǒng)的典型伯德圖，從其中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個方面：1中頻段以.-40db/dec的斜率穿越0db線，而且這一斜率能覆蓋足夠的頻帶寬度，那么系

11、統(tǒng)的穩(wěn)定性好。2） 截止頻率 或稱剪切頻率!d越高，那么系統(tǒng)的快速性越好。3） 高頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。4） 高頻段衰減越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應，又容易引入高頻干擾；如此等等。設計時往往須用多種手段，反復試湊。在穩(wěn)、準、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比擬滿意的結(jié)果。采用微處理器數(shù)字控制后，控制器不一定是線性的，其結(jié)構(gòu)也不一定是固定的，可以很方便地應用各

12、種控制策略，解決矛盾就容易多了，具體設計時，首先應進行總體設計，選擇根本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標計算參數(shù)，形成根本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。然后，建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動態(tài)性能。如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定或動態(tài)性能不好，就必須配置適宜的動態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足所要求的性能指標。4.3 調(diào)節(jié)器設計 圖4-1 PI調(diào)節(jié)器線路圖本次設計使用的是PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的性能及原理為，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正裝置，常用 PI調(diào)節(jié)器。采用模擬控制時，可用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路圖如圖4-1所示。圖中Uin和 Uex分別表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出電壓的絕對值，圖中所

13、示的極性說明它們是反相的；Rbain為運算放大器同相輸入端的平衡電阻，一般取反相輸入端各電路電阻的并聯(lián)值，按照運算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得Uex= (4-1) 式中 調(diào)節(jié)器比例局部的放大系數(shù)， 調(diào)節(jié)器比例局部的放大系數(shù)，由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓 Uex由比例和積分兩局部疊加而成。當初始條件為零時，取式4-1兩側(cè)的拉氏變換，移項后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)W (4-2)在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時間特性如圖4-2所示，從這個特性可以看出比例積分作用的物理意義。突加輸入電壓 Uin時，輸出電壓Uex首先突跳到 KpitUin，保證了一定的快速響應。但Kpit是小于穩(wěn)態(tài)性能

14、指標所要求的比例放大系數(shù) Kp的，因此快速性被壓低了，換來對穩(wěn)定性的保證。如果只有Kpit的比例放大作用，穩(wěn)態(tài)精度必然要受到影響，但現(xiàn)在還有積分局部。在過渡過程中，電容 C1由電流j,恒流充電，實現(xiàn)積分作用，使 Uex線性地增長，相當于在動態(tài)中把放大系數(shù)逐漸提高，最終滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求。如果輸入電壓 Uin一直存在，電容C1就不斷充電，不斷進行積分，直到輸出電壓 Uex到達運算放大器的限幅值 Uexm時為止，稱作運算放大器飽和。為了保證線性放大作用并保護系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，對運算放大器設置輸出電壓限幅是非常必要的。在實際閉環(huán)系統(tǒng)中，當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，調(diào)節(jié)器的 Uin=0，積分過程就停止了。4.4

15、利用PI調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)校正原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)在這里， ，因此分母中可以分解成兩個一次項之積，即根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)取為于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是相應的閉環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性繪于圖4-2其中三個轉(zhuǎn)折頻率 或稱交接頻率分別為 由圖4-2可見，相角裕度和增益裕度HN 都是負值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。和用代數(shù)判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。圖4-2 原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)伯德圖為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設置PI調(diào)節(jié)器，設計時須繪出其對數(shù)頻率特性?？紤]到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為 Kp的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的根底上新添加局部的傳遞函數(shù)應為相應的對數(shù)頻率特性如圖4

16、-3所示。鑒于Kpi1/Kp，所以對數(shù)幅頻特圖4-3調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)根底上添加局部的對數(shù)頻率特性性的 低 頻 部 分 斜 率 首 先 是 積 分 環(huán) 節(jié) 的-20db/dec，在頻率,1/Kp處穿越0db線，然后起作用的才是比例微分環(huán)節(jié)，在1/Kp處向上轉(zhuǎn)折，斜率變成0db/dec。與此相應，可畫出對數(shù)相頻特性。將圖4-2和圖4-3畫在同一張坐標紙上，然后相加，即得校正后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性。由于必須在確定Kpi和值以后，才能具體畫出圖4-4實際設計時，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預期對數(shù)頻率特性，與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性。具體的設計方法是很靈活的，有時須

17、反復試湊，才能得到滿意的結(jié)果。 圖4-3 PI調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)根底上添加局部的對數(shù)頻率特性圖4-4 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正原始系統(tǒng)的對數(shù)幅頻和相頻特性 校正環(huán)節(jié)添加局部的對數(shù)幅頻和相頻特性 校后系統(tǒng)的對數(shù)幅頻和相頻特性對于本例題的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用比擬簡便的方法。由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù) K過大，截止頻率過高，應該設法把它們壓下來。因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率1/Kpi設置在遠低于原始系統(tǒng)截止頻率&d,處 如圖4-4所示。為了方便起見，可令 Kpi=T1使校正裝置的比例微分項 原始系統(tǒng)中時間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié) 對消 并 非必須如此，從而選定其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠

18、的穩(wěn)定裕度，它的對數(shù)幅頻特性應以-20db/dec的斜率穿越0db線，必須把圖4-4中的原始系統(tǒng)特性壓低，使校正后特性的截止頻率 這樣，在 處，應有根據(jù)以上兩點，校正環(huán)節(jié)添加局部的特性就可以確定下來了。由圖4-4的原始系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性可知因此代入數(shù)據(jù)，得取 為了使 在特性上查得相應的L1=3.15db,因而L2= -3.15從特性可以看出所以 因此 而且 于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 那么從圖上可以看出，校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標 和增益裕度GM都已變成較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度，而截止頻率降到 快速性被壓低了許多，顯然這是一個偏于穩(wěn)定的方案。5 體會通過此次課程設計的的經(jīng)歷，我既學會自動控制原理的有關(guān)理論，又在設計的