雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計報告書

1、引言直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流 檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和 轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測元件 的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流 和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動時，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要 作用，調(diào)節(jié)起動電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn) 態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而 變化，電流

2、內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。并通過Matlab進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特 性。一. 設(shè)計目的1. 了解自動控制系統(tǒng)學(xué)科。2 .學(xué)習(xí)繪畫雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。3. 掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 。4. 體會參數(shù)設(shè)計的過程及工程設(shè)計方法的基本思路 。5. 利用MATLAB仿真。二. 直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值 ,電流調(diào)節(jié)器ACR的輸 出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 ，當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達(dá)到限幅 值，輸入量的變化不再影響輸

3、出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；當(dāng)調(diào)節(jié) 器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為 零。對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽 和狀態(tài)。3. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 3所示，圖中分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電樞電流 Id 顯露出來。圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通門；（3）改變電樞回路電阻Ro對于要求在一定范圍內(nèi)無

4、級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。因此， 自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。5. 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計5.1初始條件某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電機(jī)參數(shù)為：額定電壓u =220V ,額定電流I =136A ；額定轉(zhuǎn)速n =1460rpm , Ce =0.132V min/ r，允許過載倍數(shù) =1.5 ；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40 ；電樞回路總電阻 R =05；時間常數(shù)Ti =0

5、03s,Tm =0.18s ；電流反饋系數(shù)飛-0.05V /A ；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)、-0.007V min/r。5.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)。電流環(huán)小時間常數(shù)之和T。 按小時間近似處理K-i -TOi Ts =0.0037s根據(jù)設(shè)計要求6空5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可將電流環(huán)校成典型I系統(tǒng)，典型I系統(tǒng)的跟隨性較好，超調(diào)量較小。設(shè)傳遞函數(shù)的形式為：Wacr s 二Ki is 1is（2）計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時間參數(shù)：“ =T| = 0.03s電流開環(huán)增益：要求二乞5%時，應(yīng)該取KiT =0.5,因此:1 Ki135.1 T廣 0.03S2T'iKi =1.013

6、T =0.03根據(jù)上述的設(shè)計參數(shù)，匚=4.3% :：: 5%參照表1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項 指標(biāo)都是可以接受的。T1T1111m =T2T25102030C maxCb=<100%55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.02tv / T14.721.7.730.4表1典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（3）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率cKI = 135.1s，1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts=196sJ c3 0.0017s滿足近似條件。2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件二 40.82s J心rr"3而滿足近似條件。3

7、) 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1 rr 1 =180.8s3 TSToi3 卡 0.0017s x0.002s滿足近似條件。5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(1)確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)K1取KiT = 0.5,貝上12乃=2 0.0037 = 0.0074s K1Ton = 0.01STn = oo.174s設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，起傳遞函數(shù)為：Wasr S =Kn nS 1nS(2)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取h=5 ,則ASR的超前時間常數(shù)為：n 二 hT*5 0.0174 =0.087s進(jìn)而可求得，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:Kn=h2 J = 396.4s， 2h2g可求得ASR的比例

8、系數(shù)為：Kn(h "頃十了2h： RT5（3）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為-'cn乞=Kg =396.4 x0.087s=34.5s-1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為-'cnKi 1135.1 s丄=63.7s cn，滿足簡化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為3 .Ton1 Ki J 135.1sJ . 38.7sJ cn，滿足近似條件。3Ton 一3，0.01三.仿真1.Matlab 簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)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MATLAB和 Simuli

9、nk兩大部分。MATLAB是matrix&laboratory 兩個詞的組合,意為矩陣工廠（矩 陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高 科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建 模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程T150100/10 00f0.010.0Q50.090.0350.0450.05Time offset圖5電流環(huán)的仿真結(jié)果(3) KT=0.25時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的

10、PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為Wpi s；=0.5067 16.89，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形s200180-1S0140120100so-20i-0.010.0150.020.0250.030.035004D0450.05Time ollsst: 0圖6電流環(huán)無超調(diào)輸出波形(4)KT=1.0時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為Wpi s =2.027 67567s ,可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：圖7 電流環(huán)超調(diào)較大輸出波形3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真（1）轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型如圖8所示圖8轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型(2) PI調(diào)節(jié)器按照計算出來的結(jié)果：Wasr "1.7 1

11、34.48。空載起動時波形如圖9s所示。圖9轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動輸出波形(3) 滿載運行時起動的波形：16UU14»1200800200rroMime offset1800T1E0014001GD0EOQ6Q0000.5Time offsetZoom Y-axiiAutoscale(4)抗干擾性的測試圖10轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動輸出波形轉(zhuǎn)速環(huán)的抗干擾輸出波形四. 設(shè)計結(jié)果通過對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計，合理的選擇參數(shù)，由所得的仿真結(jié)果圖形可以看到，設(shè)計結(jié)果滿足設(shè)計要求。五. 設(shè)計心得這次課程設(shè)計中，我們學(xué)到了許多課堂上學(xué)不到的東西，尤其是在Matlab仿真上 面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多時間和精力。本次課程設(shè)計讓我對 電力拖動自動控制系統(tǒng) -運動控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容-轉(zhuǎn) 速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解，對典型I系統(tǒng)設(shè)計加深了認(rèn)識。通過 matlab的仿真，使我對雙閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)有了直觀的印象 。課程設(shè)計是對我們在這學(xué)期學(xué)到的電力拖動自動控制系統(tǒng)這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結(jié)合時間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑。通過對系統(tǒng)的設(shè)計，讓我們對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)各個部分都有所認(rèn)知。同時也可以通過課程設(shè)計，了解理論知識哪些方面比較 薄弱，及時查漏補缺。六. 參考文獻(xiàn)1 張潤和