直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、運動控制課程設(shè)計轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)學院：電氣工程學院班級：09年級自動化2班 姓 名：王 偉 指導(dǎo)老師：吳 韜 2012年12月25日目錄摘要.2關(guān)鍵詞.2設(shè)計要求.2引言.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng).4電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計.10雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真.13小結(jié)13致謝14參考文獻.14基于MATLAB的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要：本文介紹了基于工程設(shè)計對直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了基于PID控制的轉(zhuǎn)速控制環(huán)和電流控制環(huán)。詳細分析了系統(tǒng)的起動過程及參數(shù)設(shè)計，運用Simulink對直

2、流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行數(shù)學建模和系統(tǒng)仿真。根據(jù)仿真結(jié)果分析該調(diào)速系統(tǒng)滿足我們的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)控制系統(tǒng)；Simulink；電流控制環(huán)；轉(zhuǎn)速控制環(huán)；設(shè)計要求：1.利用所學知識設(shè)計轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 2.設(shè)計過程中詳細說明系統(tǒng)組成,詳細說明電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程； 3.使用MATLAB軟件編寫調(diào)試程序,分析內(nèi)環(huán)電流和電機轉(zhuǎn)速的輸出特性； 4.要有詳細原理說明和設(shè)計過程，方案以WORD文檔的形式給出； 5.課程總結(jié),總結(jié)該課程的主要內(nèi)容與相關(guān)實際應(yīng)用。調(diào)速系統(tǒng)是當今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機械大多采用直流傳動，簡稱為直

3、流調(diào)速。早在20世紀40年代采用的是發(fā)電機電動機系統(tǒng)，又稱放大機控制的發(fā)電機電動機組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點是占地大，效率低，運行費用昂貴，維護不方便等，特別是至少要包含兩臺與被調(diào)速電機容量相同的電機。為了克服這些缺點，50年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。50年代末晶閘管出現(xiàn)，晶閘管變流技術(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國。近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論

4、。不過最近研制成功的直流調(diào)速器，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高智能化特點。同時直流電機的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于運行性能要求很高的機床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)特性都很理想。2.直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號Ui*（對于直流電動機來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的

5、）的控制信號Uc。進而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達到穩(wěn)定。3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)1。這種理想的起動過程如圖1所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反

6、饋控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負反饋。因此采用電流負反饋控制過程，起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負反饋；穩(wěn)定運行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2所示。0nnt圖1理想啟動過程圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)tIdOtIdOnIdLnIdmIdcrnIdLnIdma帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) b理想的快速起動過程圖4 直流調(diào)速系

7、統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速啟動特性曲線雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖5所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以、和。第階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，當IdIdl后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于電機慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓Un=Un數(shù)值較大并使其輸出達到飽和值，強迫電流Id迅速上升。當

8、時，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再迅速增加，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR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)為在恒流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又，n，這樣才能保持=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種

9、調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電流也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計中必須注意的。第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時，但由于積分作用，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當時，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當時，n達到最大值（t3時刻）。此后，電動機在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小與的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨A

10、SR的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 圖5轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點：1飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2準時間最優(yōu)控制。階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制。采用飽和非線性控制方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有使用價值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。3轉(zhuǎn)速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。5電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計在設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，一般是

11、先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)校正的設(shè)計與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序進行，在動態(tài)過程中可以認為外環(huán)對內(nèi)環(huán)幾乎無影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個組成環(huán)節(jié)3。由于典型型系統(tǒng)的跟隨性能由于典型型系統(tǒng)，而典型型系統(tǒng)的抗擾性能優(yōu)于典型型系統(tǒng)，因此一般來說，從快速啟動系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)；由于要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計。工程設(shè)計法是建立在頻率特性理論基礎(chǔ)上的，只需將典型系統(tǒng)和典型系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性作為調(diào)速系統(tǒng)僅有的兩種預(yù)期特性。工程設(shè)計的步驟如下：1對已知系統(tǒng)的固有特性做恰當?shù)淖儞Q和近似處理，以簡化調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。2根據(jù)具體情況

12、選定預(yù)期特性，即典型系統(tǒng)或典型系統(tǒng)，并按照零極點相消的原則，確定串聯(lián)調(diào)節(jié)器的類型。3根據(jù)要求的性能指標，確定調(diào)節(jié)器的有關(guān)P、I、D參數(shù)。4校正設(shè)計分為以下幾個步驟：一、電流環(huán)的簡化：圖6簡化后電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，ACR選PI調(diào)節(jié)器。i=Tl，Ki=（KiKs）÷(iR)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Id(s)+-圖7動態(tài)結(jié)構(gòu)圖L/dB-20dB/dec-40dB/dec0圖8開環(huán)對數(shù)幅頻特性二、確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時間；（2）電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此??；（3）電流環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似

13、處理，取。三、確定將電流環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，而且，因此，電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)設(shè)計。四、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：五、選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：；電流環(huán)開環(huán)增益：因為要求，故應(yīng)取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為。六、計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)圖9 電流調(diào)節(jié)器原理圖電流調(diào)節(jié)器原理如圖9所示，按所用運算放大器，取，各電阻和電容值計算如下：，取；，取；，取。七、校驗近似條件電流環(huán)截止頻率（1）校驗晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因為，所以滿足近似條件。（2）校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響是否滿足。現(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校驗小時間常數(shù)的近似處理

14、是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。一、轉(zhuǎn)速環(huán)的簡化：IdL(s)U*n(s)an (s)+-ASRCeTmsRId (s)a /b TSns+1+-圖10簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)二、確定時間常數(shù)：（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為；（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，?。唬?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。三、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計系統(tǒng)：由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。四、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：。五、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好的原則取h=5，則ASR超前時間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：

15、；于是ASR的比例系數(shù)為：。六、計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示，按所用運算放大器，取，各電阻和電容值計算如下：，取；，??；，取。圖11轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖七、校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率（1）校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。現(xiàn)在，滿足簡化條件。（2）校驗小時間常數(shù)的近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當h=5時，；而，因此，能滿足設(shè)計要求。6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，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

16、的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動

17、態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，S

18、imulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。. 構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。一、繪制原理仿真模型圖10 直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電氣原理仿真模型二仿真波形圖圖11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真波形7小結(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照ASR在起動過程中的飽和情

19、況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓波動。課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學技術(shù)發(fā)展的日新月異，雙閉環(huán)直流調(diào)速已經(jīng)成為當今電機調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說是無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速技術(shù)是十分重要的?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，從選題到定稿，從理論到實踐，在將近兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力