單閉環(huán)pwm直流調(diào)速系統(tǒng)分析及校正

1、2011年專業(yè)課程綜合設(shè)計(jì)課題任務(wù)書(shū)單閉環(huán)V-M/PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)分析及校正一、課題已知條件：如圖，在直流電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG,從而引出與被控量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Uf，與給定電壓Ug相比較后，得到偏差電壓U，經(jīng)過(guò)放大器A，產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓UC，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。第*組：PWM-M系統(tǒng)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)D：PN=10kW，UN=220V，IN=Id=50A， nN=1000r/min，Ra=0.5， Ce=0.192V·min/r，GD2=10N·m2，L=20Mh，Ts=1.67ms，Cm=30/ 放大器：KP=* 晶閘管觸發(fā)整流裝置GT：放大倍數(shù)

2、Ks=* 電阻Rz=* 測(cè)速發(fā)電機(jī)TG：Prd=23.1kW，Urd=110V，Ird=0.21A， nrd=1900r/min 生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=*，靜差率s=*%二、課題設(shè)計(jì)要求（大綱）：1）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本分析（1）說(shuō)明機(jī)械負(fù)載對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的基本要求（調(diào)速、穩(wěn)速、加減速控制）（2）調(diào)速系統(tǒng)的主要靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)（3）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及功能2）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析（1）建立系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型：推導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或頻率特性（2）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析：滿足誤差要求選擇放大器的放大倍數(shù)3）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與校正（1）建立該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：畫(huà)出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（2）單閉環(huán)調(diào)速

3、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析：勞斯判據(jù)判斷，K值取值范圍（3）說(shuō)明穩(wěn)定條件與穩(wěn)態(tài)精度要求的矛盾 4）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正-PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) （1）利用開(kāi)環(huán)頻率特性進(jìn)行校正：在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上畫(huà)圖，使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求（2）PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)計(jì)算并選型三、參考書(shū)目：1、 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，曾孟雄，張屹主編2、 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，阮毅主編3、 機(jī)電傳動(dòng)控制，鄧星鐘主編4、 成果形式：1、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1份（標(biāo)準(zhǔn)封面，課程設(shè)計(jì)專用稿紙，手寫(xiě)體，5000字以上）。控制系統(tǒng)圖簡(jiǎn)析：根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被挑梁出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的裝束偏差，

4、顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。一單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本分析：（1） 機(jī)械負(fù)載對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的基本要求（調(diào)速、穩(wěn)速、加減速控制） 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)消速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載使得允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：1、調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔（有級(jí)）地或者平滑（無(wú)級(jí)）地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。2、穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定地運(yùn)行，不因各種可能的外來(lái)干擾（如

5、負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等）而產(chǎn)生過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。3、加、減速控制。對(duì)頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡快地加、減速，縮短起、制動(dòng)時(shí)間，以提高生產(chǎn)率；對(duì)不宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機(jī)械，則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。（2）調(diào)速系統(tǒng)的主要靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo) 1. 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。（1）調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的額定負(fù)載時(shí)最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示。 （2）靜差率S 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速no之比，稱為靜差率S。 另外還有 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的

6、定位精度、速度跟蹤精度、張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差 等。 2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中的性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)指標(biāo)。（1）跟隨性能指標(biāo) 圖8.5 表示跟隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線上升時(shí)間tr單位階躍響應(yīng)曲線從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。超調(diào)量動(dòng)態(tài)過(guò)程中，輸出量超過(guò)輸出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量。 調(diào)節(jié)時(shí)間ts 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的快慢。實(shí)際應(yīng)用中，一般將單位階躍響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值的誤差進(jìn)入并且不再超出允許誤差帶（通常取穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2%）所需的最小時(shí)間定義

7、為調(diào)節(jié)時(shí)間。（2）抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，如果受到外部擾動(dòng)（如負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)），就會(huì)引起輸出量的變化。輸出量變化多少？經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間能恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行？這些問(wèn)題反映了系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力?？箶_性能指標(biāo)有以下幾項(xiàng)： 最大動(dòng)態(tài)變化量 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)后所引起的輸出量的最大變化，用原穩(wěn)態(tài)值輸出C1的百分?jǐn)?shù)表示，叫做最大動(dòng)態(tài)變化量。輸出量在經(jīng)歷動(dòng)態(tài)變化后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，C2（C1C2）是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的最大動(dòng)態(tài)變化量稱為動(dòng)態(tài)速降。 恢復(fù)時(shí)間tv 從階躍擾動(dòng)作用開(kāi)始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，與新穩(wěn)態(tài)值C2誤差進(jìn)入某基

8、準(zhǔn)值Cb的±5%或±2%范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間tv，其中Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。（3）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及功能直流電動(dòng)機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)，以轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方式輸出轉(zhuǎn)速。測(cè)速發(fā)電機(jī)TG：把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的機(jī)電式原件，用以測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓。放大器A：是能把輸入訊號(hào)的電壓或功率放大的裝置，將轉(zhuǎn)速偏差電壓放大。電力電子變換器UPE：電力電子變換器能將電力從交流轉(zhuǎn)換為直流（整流器），直流轉(zhuǎn)換為直流（斬波器），直流轉(zhuǎn)換為交流（逆變器），同頻率交流轉(zhuǎn)換為交流（交流控制器），變頻率

9、交流轉(zhuǎn)換為交流（周波變換器）。它們是四種類型的電力電子變換器。用以產(chǎn)生控制電壓，輸給觸發(fā)裝置GT。觸發(fā)裝置GT：用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。二、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析（1）建立系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型：推導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或頻率特性（2）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析：滿足誤差要求選擇放大器的放大倍數(shù) 圖2-2中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為比例調(diào)節(jié)器；符號(hào) 為用電壓值表示的轉(zhuǎn)速給定信號(hào) ； 為用電壓值表示的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào) 。 依據(jù)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)ASR為比例調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 例題：三、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)

10、態(tài)分析與校正（1）建立該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：畫(huà)出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（2）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析：勞斯判據(jù)判斷，K值取值范圍（3）說(shuō)明穩(wěn)定條件與穩(wěn)態(tài)精度要求的矛盾 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為，如果忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為，額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為，式中：包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量，電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。定義下列時(shí)間

11、常數(shù)：電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，代入式和，并考慮和E，整理后得：，式中為負(fù)載電流。在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)，電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。圖8 整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來(lái)，就可以畫(huà)出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖可見(jiàn)，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是： (1)式中

12、 。設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： (2)由前面的式子可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為： (3)根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是： 3.2調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算首先確定電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，用以計(jì)算電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降。根據(jù)公式，可得：V·min/r系統(tǒng)的輸出功率為=355W，電樞電阻消耗功率為：W則電力電子變換器內(nèi)阻消耗功率：W由此可以推導(dǎo)出電力電子變換器內(nèi)阻為則開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降為：r/min，為滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為：r/min則閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐返钠?/p>

13、均失控時(shí)間。單相橋式全控整流電路總電感量的計(jì)算： 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：。電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：。根據(jù)公式(1)可得反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是：根據(jù)公式(3)可得，只要K小于系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，系統(tǒng)即是穩(wěn)定的。而K=45.22。顯然，只帶有比例放大器的系統(tǒng)完全能在滿足穩(wěn)態(tài)性能的條件下運(yùn)行。前面已經(jīng)求出閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為K=45.22，則，運(yùn)算放大器的放大系數(shù)應(yīng)為。實(shí)取。運(yùn)算放大器的參數(shù)計(jì)算如下：取，則。四、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正-PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) （1）利用開(kāi)環(huán)頻率特性進(jìn)行校正：在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上畫(huà)圖，使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求 （2）PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)計(jì)算并選型 五、心得體會(huì)： 經(jīng)過(guò)一個(gè)星

14、期的課程設(shè)計(jì)，從查找資料，到確定方案，再到具體的設(shè)計(jì)，在這期間我遇到了很多問(wèn)題，也發(fā)現(xiàn)了相關(guān)專業(yè)知識(shí)掌握的不足，會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)的很多知識(shí)都被自己分開(kāi)，不能連貫的連接在一起，而這次的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是把電力電子技術(shù)和電機(jī)相結(jié)合的應(yīng)用。在這次的課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)思路有了一定的了解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。學(xué)會(huì)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并能熟練地掌握轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇和計(jì)算，在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更加認(rèn)識(shí)到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用之廣泛。單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)最終能較好地運(yùn)行，從零開(kāi)始加給定電壓，速度從零開(kāi)始上升，系統(tǒng)能夠正常地啟動(dòng)，使速度升至給定的速度值。如果從零開(kāi)始升速啟動(dòng)的過(guò)程中出現(xiàn)了過(guò)流報(bào)警現(xiàn)象，而此時(shí)的轉(zhuǎn)速并不高，負(fù)荷也不是很大的時(shí)候，我認(rèn)為這時(shí)雖然各個(gè)單元都已經(jīng)調(diào)試好，但并不等于整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)就已經(jīng)很好，這是不同的，因?yàn)橄到y(tǒng)的各個(gè)單元模塊之間有一定的耦合關(guān)系，系統(tǒng)所能表現(xiàn)出來(lái)的性能和各個(gè)單元模塊之間都有很大的關(guān)系，它們的參數(shù)會(huì)互相牽制，一旦某個(gè)參數(shù)整定得不合理就有可能使得系統(tǒng)的性能大大降低，所以在此顯得了系統(tǒng)調(diào)試的必要性和