雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、引言直流電動機具有良好的起動、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，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外

2、環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負載電流。并通過Matlab進行系統(tǒng)的數(shù)學建模和系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。設(shè)計目的1了解自動控制系統(tǒng)學科。2學習繪畫雙閉環(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1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者實行嵌套連接，如圖一所示。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UPE。從閉環(huán)結(jié)

3、構(gòu)上看，電流環(huán)在里面稱為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。圖1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2雙閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性R切ASR廠ACR、-呻%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，當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；當調(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)器不進入飽和狀態(tài)

4、。3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(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；(3) 改變電樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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

5、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:直流電機參數(shù)為：額定電壓U=220V，額定電流I=136A;額定轉(zhuǎn)速n二1460rpm,C二0.132V-min/r，允許過載倍數(shù)九=1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)K二40；es電樞回路總電阻r二0.5；時間常數(shù)t二0.03s,T二0.18s；電流反饋系數(shù)0二0.05V/A；lm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)之和按小時間近似處理資料.T=T+T=0.0037s乙iOiS根據(jù)設(shè)計要求&;5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流

6、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：W(s)=ACRKGs+1)iiTsi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二T=0.03sil電流開環(huán)增益：要求&5%時，應(yīng)該取KT二0.5，因此:IXi二135-1T二0.03S2乞1K二1.013iT=0.03根據(jù)上述的設(shè)計參數(shù)，&=4.3%w3T3x0.0017sciS滿足近似條件。2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件ci113=3x=40.82s-1wTT0.18sx0.03scml滿足近似條件。3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為K=n=Kt=396.4x0.087s-1=3

7、4.5s-1cnNn11)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1Kcnocn，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1Kw片cn3Ton，3帚=覇1=沁-1cn，滿足近似條件。on三.仿真1.Matlab簡介MATLAB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。MATLAB是matrix&laborcitory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

8、算、科學數(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大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。2仿真步驟(1) 打開Matlab軟件，根據(jù)原理圖將仿真所用模塊拖入模塊編輯窗口。(2) 將模塊合理擺放，并正確連接各模塊。(3) 設(shè)置各模塊的參數(shù)。(4) 點擊菜單欄中運行按鈕進行仿真。3仿真結(jié)果(1) 電流環(huán)的仿真1電流環(huán)的仿真模型如圖4所示。圖4電流環(huán)仿真模型(2) KT=0.5時，按典型I系統(tǒng)的

9、設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為W(s)=1.013+3377，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如圖5所示。pis25UTirrisoffset0圖5電流環(huán)的仿真結(jié)果(3) KT=0.25時，按典型I系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為以)=5067+乎，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形:200180k160k140-T20-100kQO60-40k20-L_丄丄LI_I丄丄JL00.0050.C10.0150.02Q0250.030.D350.040.0450.05Timeoffset:0圖6電流環(huán)無超調(diào)輸出波形(4) KT=1.0時，按典型I系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)

10、節(jié)器的傳遞函數(shù)為67.567s可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：00.0050.C10.0150.02Q0250.03D.D350.040.0450s05Timeoffset:0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。Frrf；圖8轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型PI調(diào)節(jié)器按照計算出來的結(jié)果：W二11.7+13448。空載起動時波形如圖9ASRs所示。ItiJO16D011D012D01ODDSJU6叩4DD2D0.0-29U01511.5Timeoffset:0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:圖10轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動輸出波形(4)抗干擾性的測試

11、:Autoscale圖11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，我們學到了許多課堂上學不到的東西，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)容一轉(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)計是對我們在這學期學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1張