雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計及其仿真

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計及其仿真班級：自動化學號：姓名：目錄1前言31.1課題研究的意義31.2課題研究的背景32總體設計方案3MATLAB仿真軟件介紹3設計目標4系統(tǒng)理論設計5仿真結(jié)果103結(jié)論124參考文獻13前言課題研究的意義現(xiàn)代運動控制技術(shù)以各類電動機為控制對象，以計算機和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強電的紐帶，以自動控制理論和信息處理理論為基礎(chǔ)，以計算機數(shù)字仿真和計算機輔助設計為研究和開發(fā)的工具。直調(diào)調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場

2、合得到廣泛的應用。且直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以加深直流電機控制原理理解有很重要的意義10課題研究的背景電力電子技術(shù)是電機控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器，電力電機技術(shù)的迅猛發(fā)展促使了電機控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從 2020 世紀 6060 年代第一代電力電子器件- -品閘管（SCRSCR）發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器件-GTRGTO-GTRGTOMOSFEMOSFE 琛三代復合場

3、控器件- -IGBTIGBT、MCMC 邙，如今正蓬勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電路（PICPIC）。每一代的電力電子元件也未停頓，多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進，性能有了飛速提高，在不同應用領(lǐng)域它們在互相競爭，新的應用不斷出現(xiàn)。同時電機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機應用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化2o2總體設計方案MATLAB仿真軟件介紹本設計所采用的仿真軟件是 MATLABMATLABMATLAB1MATLAB1 美國 MathWorksMathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學

4、軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLABMATLABSimulinkSimulink 兩大部分。MATLAMATLA 耐用非常之廣泛！MATLABMATLAB 勺基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLABMATLAB解算問題要比 C,FORTRAC,FORTRA 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAMATLA 他吸收了像 MapleMaple 等軟件的優(yōu)點，使MATLABMATLAB 為一個強大的數(shù)學軟件。主要的優(yōu)勢特點為：高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運

5、算分析中解脫出來；具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；功能豐富的應用工具箱（如信號處理工具箱、通信工具箱等），為用戶提供了大量方便實用的處理工具。設計目標設計一個雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，利用品閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調(diào)速范圍 D=10,D=10,要求:靜差率；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量直流電動機數(shù)據(jù):額定功率：29.92KW29.92KW 額定電壓：220V,220V,額定電流：136A136A_min額定轉(zhuǎn)速：1460r/m1460r/m, ,“ 允許過載倍數(shù)：-晶閘管裝置放大系數(shù)：國=4=4。電樞回路總電

6、阻：R=w時間常數(shù):機電時間常數(shù):電磁時間常數(shù): :0,05V電流反饋系數(shù):轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：%=0,005*% %= =0905$0905$h=5h=5系統(tǒng)理論設計:在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應該首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu),電流脈動系數(shù)啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量13o轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):-rmina=0,0O7V電流調(diào)節(jié)器設計(1)(1)確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)心：三相電路的平均失控時間.=0.0017s.=0.0017s電流濾波時間常數(shù)”:=0.002s=0.002s電流環(huán)小時間常數(shù)之

7、和丁宏：按小時間常數(shù)近似處理，取為:- -0.0037s0.0037s(2)(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I I 型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PIPI 電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：檢查對電源電壓的抗擾性能:符合典型 I I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標都是可以接受的(3)(3)計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):汽=n=0.03T電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，按表 1,1,應取得丁亞二，5 5,因此:于是，ACRACR 勺比例系統(tǒng)為:(4)(4)檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率:校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為:滿足近

8、似條件校驗忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為:描rR135,1X0.03X0,540 x0.5之1,013滿足近似條件校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：滿足近似條件(5)(5)計算調(diào)節(jié)器電阻電容按所用的運算放大器取得RQ=4OA12各電容和電阻值為：&=4OKD=40.52KQ收0 0勺0 0，0303八C C= = =F二。75uF1七40/1臚-聲碎了5 5行毛丁鹵4X4X0,0020,002五。40X140X1臚/取0?0?而按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為：用=4.3%|5%=4.3%|5%(見表 1)1)滿足設計要求。2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計(1)(1

9、)確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)。取/=,則:轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)的。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，?。? =0.0150.015轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)/國。按小時間常數(shù)近似處理，?。篢+丁門r-=C1.00740,01=0.0174sJT*rFUfT電(2)(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設計要求，選用 PIPI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：必&O)=(3)(3)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取 h=5,h=5,則 ASRASR 的超前時間常數(shù)為:并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：則可得 ASRASR 勺比例系數(shù)為：(4)(4)校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為:電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為:滿足簡化條

10、件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：滿足簡化條件(5)(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取詼=40Kfi。則：各電容和電阻值為：Rn=KnR=lL7X40KQ=468m取妝咕0f0.087cC=-=F0.18S/F八國470X1470X1臚取。辦F F+X+X0.010.01二4040 x x10103 3(6)(6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當 h=5h=5 時，由書1 1表 3-43-4 可以查得：。= =37.37.6 6 轉(zhuǎn)，這并不能滿足設計要求。實際上,由于表 3-43-4 是按線性系統(tǒng)計算的， 而突加階躍給定時， ASRASR 已經(jīng)飽和， 不符合如今系統(tǒng)的前提要求， 所以應該按 ASR

11、!ASR!飽和的情況重新計算超調(diào)量。ASR!ASR!飽和計算如下：(3-1)(3-1)得滿足設計要求表 1 1 典型 I I 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.3901.5001.691.0阻尼比1f1.00.801,7070.60.5超調(diào)量仃L5%L3%9.5%163%上升時間q4.7T3.3T3：.4T峰值時間力3.3T3.3T62T4.7T3.8T相角穩(wěn)定裕度Y70,376.369.9S5.559.251,即截至頻率T T?？?767T TCM55T山的6T Tu.7ggI2.4仿真實驗為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分

12、別調(diào)當時，由書1 1表 3-53-5 可以查得備=81,2%=81,2%，代入式(3-13-1) )節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，如圖 2 2 所示。將見、TAASR一代速調(diào)。器ACR一電流說甘蕾TG測速發(fā)機TA電流，感船I中E電力電J工變換器圖 2 2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 2 中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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 UPEUPE 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)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設計要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電

13、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設計，如圖 2 2 所示。用 MATLABMATLAB 勺 SUMLINSUMLIN 板塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如圖 3 3 所示：少。觀察圖 4 4 和圖 5 5 可知，在直流電動機的橫流升速階段，電流值低于額定值，其原因電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動機反電動勢的擾動。3結(jié)論通過對雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真波形的分析，可知其起動過程可分三個階段來：第 I I 階段：電流上升階段。突加給定電壓 Un*Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使 Ua,Ud,Ud0Ua,Ud,Ud0 都上升。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快。在這一階段中，ASRASR 由不飽和很快達到飽和，而 ACRAC

14、R 不飽和，確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第 R R 階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值 n*n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASRASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 Uim*Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第田階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASRASR 輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，具輸出電壓的給定電壓 Ui*Ui*立即下降，主電流 IdId 也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼

15、續(xù)上升。達到最大值后，轉(zhuǎn)速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流 IdId 也出現(xiàn)一段小于 Id0Id0 的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASRffiACFOASRffiACFO 不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用圖。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為：. .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PIPI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。. .電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊

16、緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的5經(jīng)過這次課程的設計，使我明白了一門課程設計對學好該門課程的重要性。同時也感覺到自己在實踐動手能力方面的缺陷與不足，因此我將會在以后的學習和工作中不斷來加強這方面的鍛煉。這次課程設計的時間雖說是短暫的，但在這幾天中我學會了不少的東西，首先對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學知識的一次很好的應用。通過這次課程設計，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態(tài)上也有不小的進步。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是這次設計給我的一點小小的感悟?？傊?，在設計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。4參考文獻11阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)一一運動控制系統(tǒng)M.M.第 4 4 版.北京：機械工業(yè)出版社，2009:1-10.2009: