自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).ppt課件(PPT 37頁)

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第1頁，共37頁。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書性質(zhì)和目的： 自動(dòng)控制系統(tǒng)課程是自動(dòng)化專業(yè)的主要特色課程之一，通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生鞏固所學(xué)的控制系統(tǒng)基本原理，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析和解決工程技術(shù)問題的能力，建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序和方法。提高學(xué)生的綜合計(jì)算及撰寫科研報(bào)告的初步訓(xùn)練能力；理論聯(lián)系實(shí)際和分析、解決問題的能力。第2頁，共37頁。課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)(一) 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的選型： 1、主回路方案確定； 2、控制回路選擇；(二) 主要電氣設(shè)備的計(jì)算和選擇：1、整流變壓器計(jì)算；2、晶閘管整流元件；3、系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)；4、平波電抗器選擇計(jì)算；(三) 系統(tǒng)

2、參數(shù)計(jì)算：1、電流調(diào)節(jié)器ACR中 、 計(jì)算；2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中 、 計(jì)算；(四) 對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證；第3頁，共37頁。設(shè)計(jì)參數(shù)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：功率Pe1.45KW，額定電壓Ie=6.5A，磁極對(duì)數(shù)P=1，ne=1500r/min,勵(lì)磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=3.7,主電路總電阻R7.4，Ks=27，電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.033ms，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.26ms，濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.0031s，Ton=0.01s，過載倍數(shù)1.5，電流給定最大值Uim=8V，速度給定最大值Un=10V，=0.77V/A，=0.007Vmin/r第4頁，共37頁。直流拖動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3、主要任務(wù) 1、系統(tǒng)總體方案的選擇；2、系統(tǒng)方案的實(shí)體設(shè)計(jì)；3、系統(tǒng)各主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)；4、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工程設(shè)計(jì)；第5頁，共37頁。主電路的設(shè)計(jì)和選擇 正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運(yùn)行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流 考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過電壓等因素，還要放寬一定范圍的安全系數(shù)。 則有： 式中， 、 分別是實(shí)際電路中的最大電壓電流，其中有 、第6頁，共37頁。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路整流電路：本設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)，所以三相電源必須經(jīng)過整流，經(jīng)過三相全控橋整流電流，具有輸出波形好、脈動(dòng)小、并且可以組成可逆變的系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，所以我們采用三相全控橋進(jìn)行整流。

4、如圖2-1所示：圖2-1 三相全控橋第7頁，共37頁。控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能可靠，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過程。能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下圖所示：圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖第8頁，共37頁。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖圖2-3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖第9頁，共37頁。變流器主電路和保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)整流變壓器 在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項(xiàng)用的變壓器的一次側(cè)繞組采用

5、聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用Y聯(lián)接。 第10頁，共37頁。交流測(cè)過電壓保護(hù) 本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為-Y聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的保護(hù)回路。 如下圖所示。圖3-1 采用壓敏電阻的保護(hù)回路第11頁，共37頁。直流測(cè)過電壓保護(hù)同樣采用壓敏電阻進(jìn)行過壓保護(hù)，原理如下圖所示圖3-2 直流側(cè)過壓保護(hù)原理圖第12頁，共37頁。原件換相保護(hù) 晶閘管對(duì)過電壓很敏感，當(dāng)正向電壓超過其斷態(tài)重復(fù)峰值值電壓一定值時(shí)，就會(huì)誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加的反向電壓超過其反向重復(fù)峰值電壓一定值時(shí)，晶閘管將會(huì)立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電壓功率或

6、系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時(shí)消散而造成的。第13頁，共37頁。本設(shè)計(jì)采用如下圖阻容吸收回路來抑制過電壓其中電阻功率選擇圖3-3 元件換相保護(hù)原理圖第14頁，共37頁。過電流保護(hù)將快速熔斷器安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。 選擇時(shí)應(yīng)注意以下問題： 快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流 計(jì)算公式 三相交流電路的一次側(cè)過電流保護(hù) 在本設(shè)計(jì)中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進(jìn)行三相交流電路的一次側(cè)過電流保護(hù)，保護(hù)原理圖如下圖第15頁，共37頁。圖3-4 交流電路的一次

7、側(cè)過流保護(hù)原理圖第16頁，共37頁。晶閘管的過電流保護(hù)如下圖所示圖3-5 晶閘管的過電流保護(hù)第17頁，共37頁。電壓和電流上升率的限制圖3-6 晶閘管串接橋臂電抗器第18頁，共37頁。調(diào)速系統(tǒng)控制單元的確定和調(diào)整及工程設(shè)計(jì)檢測(cè)環(huán)節(jié)電流檢測(cè)環(huán)節(jié) 電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。第19頁，共37頁。電流檢測(cè)環(huán)節(jié)原理圖如下圖所示圖4-1 互感器電流檢測(cè)電路第20頁，共37頁。電壓檢測(cè)環(huán)節(jié) 電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)是通過測(cè)速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)

8、化為電壓值，通過檢測(cè)電壓值就可以檢測(cè)轉(zhuǎn)速。原理圖如下圖所示：圖4-2 電壓檢測(cè)電路第21頁，共37頁。調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖4-2 雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第22頁，共37頁。調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整作為系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，是控制電路的關(guān)鍵部件，在系統(tǒng)中使用各種類型的調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的P、I、PI、PD、PID等多種運(yùn)算關(guān)系。調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)，它對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的優(yōu)劣起著決定作用第23頁，共37頁。電流環(huán)調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)化a)忽略反電動(dòng)勢(shì)的影響b)等效成單位負(fù)反饋c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理 Ti = Ts + Toi 電流環(huán)設(shè)計(jì)第24頁，共

9、37頁。典型系統(tǒng)的選擇：采用 I 型系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器選擇：PI型的電流調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。（2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇第25頁，共37頁。電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖4-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 U*i 電流給定電壓； Id 電流負(fù)反饋電壓； Uc 電力電子變換器的控制電壓。第26頁，共37頁。電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，其閉環(huán)傳遞函數(shù) 忽略高次項(xiàng)， 電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為: 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)第27頁，共37頁。原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象電流環(huán)的改造效果： 電流的閉環(huán)控

10、制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。 等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)第28頁，共37頁。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) b) 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 第29頁，共37頁。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 c) ASR調(diào)節(jié)器選擇(應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器)d) 校正后成為典II系統(tǒng) 第30頁，共37頁。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為 U*n 轉(zhuǎn)速給定電壓； n 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓； Ui* 電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 。圖4-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 第31頁，共37頁。調(diào)節(jié)器限幅 調(diào)速系統(tǒng)中為了保護(hù)電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全，需限制電動(dòng)機(jī)的最大電流，最大電壓及晶閘管變流裝置的 和 角等，一般都要求對(duì)輸入輸出限幅。（1）調(diào)節(jié)器的輸入限幅電路圖4-5 輸入限幅電路第32頁，共37頁。（2）調(diào)節(jié)器的輸出限幅電路圖4-6 輸出限幅電路第33頁，共37頁。五、系統(tǒng)仿真 使用MTLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿