轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計說明書

1、.wd.wd.wd.運動控制課程設(shè)計評語：考勤10守紀(jì)10過程40設(shè)計報告30辯論10總成績100專業(yè)：自動化班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：2015年07月16日轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計目的一般來說，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，到達(dá)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(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。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)反響控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負(fù)反響。因此采用電流負(fù)反響控制過程，起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，

2、只需電流負(fù)反響；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(fù)反響為主。故采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.設(shè)計任務(wù)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： (1)直流電動機：220V、160A、1460r/min、Ce=0.129Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5； (2)晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40； (3)電樞回路總電阻：R=0.5； (4)時間常數(shù)：Tl=0.03s，Tm=0.19s； (5)電流反響系數(shù)：=0.042V/A； (6)轉(zhuǎn)速反響系數(shù)：=0.0068Vmin/r； 試按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，

3、并用Simulink建設(shè)系統(tǒng)模型，給出仿真結(jié)果。3.設(shè)計要求根據(jù)電力拖動自動控制理論，按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)： (1)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的構(gòu)造和參數(shù)，將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)； (2)分析電流環(huán)不同參數(shù)下的仿真曲線； (3)在簡化電流環(huán)的條件下，設(shè)計速度調(diào)節(jié)器的構(gòu)造和參數(shù)，將速度環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)； (4)分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線 (5)進展Simulink仿真，驗證設(shè)計的有效性。 4.設(shè)計內(nèi)容4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反響分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖1所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

4、輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)構(gòu)造上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。按照電機理想運行特性，應(yīng)該在啟動過程中只有電流負(fù)反響，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速反響，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特

5、性就在于當(dāng)負(fù)載電流小于最大電流時，轉(zhuǎn)速負(fù)反響起主要作用，當(dāng)電流到達(dá)最大值時，電流負(fù)反響起主要作用，得到電流的自動保護。圖1為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)造框圖。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)造框圖4.2設(shè)計思路設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原那么是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，從電流環(huán)內(nèi)環(huán)開場，對其進展必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。4.3電流環(huán)的設(shè)計4.3.1時間參數(shù)確實定(1)電樞回路電磁時間常數(shù)：Tl=0.

6、03s；(2)電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)：(3)整流濾波時間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時間：Ts=0.00167s(4)電流濾波時間常數(shù)：三相橋式電路每個波頭的時間是0.0033s，為了 基本濾平波頭，應(yīng)有(12)Toi=0.0033s，因此取Toi=2ms=0.002s(5)電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.00367s4.3.2典型系統(tǒng)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要

7、的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成4.3.3計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) (1)ACR超前時間常數(shù)： (2)電流環(huán)開環(huán)增益：在本設(shè)計中，要求時，應(yīng)取，因此，于是，ACR的比例系數(shù)為：4.3.4校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： (1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件為：，滿足近似條件。 (2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)影響的條件為：，滿足近似條件。 (3)校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。4.3.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由運算放大器的電路原理可以得出，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入電

8、阻時，電流調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)如下：；4.4轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計4.3.1時間參數(shù)確實定 (1)電流環(huán)等效時間常數(shù) ： (2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) ： (3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取4.4.2典型系統(tǒng)的選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為4.4.3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù) 按跟隨和抗干擾性能較好的原那么，取h=5，那么 (1)ASR

9、的超前時間常數(shù)為： (2)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：于是，ASR的比例系數(shù)：4.4.4檢驗近似條件 由轉(zhuǎn)速截止頻率： (1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：，滿足簡化條件。 (2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件：，滿足近似條件。4.4.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由運算放大器的電路原理可以得出，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入電阻時，電流調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)如下：；4.4.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 由可得：當(dāng)h=5時,；因，能滿足設(shè)計要求。5.電流環(huán)的仿真5.1電流環(huán)的整體仿真模型 電流環(huán)的整體仿真模型見附錄A圖2所示。5.2電流環(huán)在不同參數(shù)時的仿真圖形(1)KT=0.25時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)

10、的仿真輸出的波形見附錄B圖4所示。其超調(diào)量=0%，即無超調(diào)量。(2)KT=0.5時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形見附錄B圖5所示。其超調(diào)量滿足4.3%。 (3)KT=1時，ACR中的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：按圖2的模型仿真可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形見附錄B圖6所示。其超調(diào)量滿足16.3%，超調(diào)大，但是上升時間短。觀察圖4、5和圖6的仿真曲線，在直流電動機的恒流升速階段，電流值低于200A,期原因是電流系統(tǒng)受到電動機反電動勢的擾動，它是一個線性漸增的擾動量，所以系統(tǒng)做不到無靜差，而是略低于最大電流。6.轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真6.1轉(zhuǎn)

11、速環(huán)的整體仿真模型 圖1 轉(zhuǎn)速空載高速啟動波形圖 圖2 轉(zhuǎn)速滿負(fù)載啟動波形圖圖3 轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾波形圖6.2轉(zhuǎn)速環(huán)在不同負(fù)載時的仿真圖形 (1)空載起動時，階躍信號Step1的Finalvalue輸入設(shè)為0，轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動波形圖見附錄B圖7所示。 (2)滿載起動時，階躍信號Step1的Finalvalue設(shè)為136，轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動波形圖見附錄B圖8所示。 (3)抗干擾性的測試，將階躍信號Step1的Steptime設(shè)置為1，將Initialvalue設(shè)置為0，將Finalvalue設(shè)置為100或其他1到136均可做干擾，其他設(shè)置不變，轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾波形圖見附錄B圖9所示。7.心得體會這次課程設(shè)計中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模塊的參數(shù)設(shè)置及抗干擾性的測試時的參數(shù)問題。本次課程設(shè)計讓我們對?電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)?的“轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解，對此設(shè)計加深了認(rèn)識。通過matlab的仿真，