雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真開題報告

南京工程學院

自動化學院畢業(yè)設計開題報告課題名稱：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真研究姓名：吳杰班級：10自動化1指導教師：張貞艷所在系部：自動化學院專業(yè)名稱：自動化南京工程學院2014年3月

畢業(yè)設計（論文）開題報告學生姓名吳杰學號20100710132專業(yè)自動化指導教師姓名張貞艷職稱講師所在系部自動化學院課題來源老師自擬課題類型工程設計課題名稱雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真研究

畢業(yè)設計的內(nèi)容和意義一、畢業(yè)設計的內(nèi)容（包括技術(shù)要求、圖標要求以及工作要求等）：1.簡單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的性能分析，其中包括單閉環(huán)有、無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)以及帶電流截止轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的性能分析。通過比較它們的性能分析結(jié)果，得出它們的不足之處，從而引出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計，其中包括建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的方框圖以及仿真模型。并且通過仿真分析結(jié)果，與簡單的閉環(huán)調(diào)速仿真分析進行比較，從而得出雙閉環(huán)直流調(diào)速優(yōu)越性。3.雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)的設計，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設計，相關(guān)數(shù)據(jù)計算，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)果分析等。4.雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設計，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設計，相關(guān)數(shù)據(jù)計算，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)構(gòu)分析等。二、畢業(yè)設計的意義1.根據(jù)MATLAB/Simulink仿真平臺，研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定性好、精度高等許多優(yōu)點，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。采用該系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。此系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎[2]。2.通過比較單閉環(huán)有、無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而得到它們各自的不足之處，從而突出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性以及必要性。3.通過對雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)和雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)這兩種典型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的仿真分析，幫助我們更好的了解和應用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。4.通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領(lǐng)域。國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[1]國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應等優(yōu)點而得到廣泛應用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過流保護電路等。給定信號為0～10V直流信號，可對主電路輸出電壓進行平滑調(diào)節(jié)。采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果【3】。晶閘管-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動機的經(jīng)濟性和易維護性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調(diào)速原理也是交流控制的基礎【4】。在我們國內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時期，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但是目前的趨勢仍是追趕著發(fā)達國家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。文獻綜述[2]國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置直流調(diào)速已經(jīng)發(fā)展到一個很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別采用了微機及其他先進技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、良好的控制性能和強大的抗干擾能力，在國內(nèi)外受到廣泛的應用【5】。目前，發(fā)達國家應用的先進電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應用到了各類儀器儀表，機械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過程中。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的總的發(fā)展趨勢也向著控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展。文獻綜述MATLAB/Simulink仿真平臺[1]MATLAB/Simulink的介紹MATLAB是一種科學計算軟件，MATLAB是“矩陣實驗室”(MatrixLaboratory)的縮寫，這是一種以矩陣為基礎的交互式程序計算機語言。由于它使用方便，輸入便捷，運算高效，適應科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴展的空間，特別受到用戶的歡迎，使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國內(nèi)外高校教學和科學研究的常用軟件。Simulink系統(tǒng)的仿真環(huán)境實在MATLAB原來的工具箱基礎上拓展和開發(fā)的，它包括Simulink仿真平臺和系統(tǒng)仿真模型庫兩部分，它是一個高級計算和仿真平臺[6]。[2]仿真的數(shù)值算法Ode45為基于顯式Rung-Kutta和Dormand-Prince組合的算法，它是一種一步解法，只要知道前一段時間點的解，就可以計算當前時間點的方程解。這種算法適用于仿真線性化程度比較高的系統(tǒng)。此算法是仿真默認算法。Ode15s是一種可變階數(shù)的Numericaldifferentiationformulas(DNFS)算法，當遇到剛性(stiff)問題時或者使用ode45算法不行時，你可以試試這種算法[7]。

Ode23tb(stiff/TR-BDF2)采用TR-BDF2算法，即在龍格-庫塔法的第一階段用用梯形法，第二階段用二階的backwarddifferentiationformulas算法，在容差比較大時，ode23tb和ode23t都比ode15s好【8】。直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機具有良好的啟動、制動性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑無級調(diào)速，在軌鋼機、鐵路機車、造紙機、金屬切割機床、高層電梯、礦井卷場機、挖掘機等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的運用?？煽刂绷麟娫础妱訖C調(diào)速系統(tǒng)，包括直流電動機啟動、開環(huán)直流調(diào)速、單閉環(huán)直流調(diào)速、雙閉環(huán)直流調(diào)速以及直流脈寬PWM-等調(diào)速系統(tǒng)的仿真[9]。直流電動機和交流電動機相比，其制造工藝復雜，生產(chǎn)成本高，維修困難，需備有直流電源才能使用。但因直流電動機具有較高的過載能力、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和良好的啟動、制動、平滑的調(diào)速性能，可以在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，能在很短的時間里改變轉(zhuǎn)向，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式[10]。轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，且設計較為方便的特點，是應用非常廣泛的一種直流調(diào)速系統(tǒng)[11]。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)[1]雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的必要性采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動、突加負載等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能完全按照需求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩[12]。同樣，帶電流截止負反饋調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠控制電流，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。因此，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級聯(lián)接。如下圖1所示。這就是說，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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置[13]。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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)直流調(diào)速系統(tǒng)[14]。圖1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的特點是電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個調(diào)節(jié)器進行控制，并且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流。當轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使其輸出增加，即電流給定值上升，從而通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，使電動機電流增加、電動機獲得加速轉(zhuǎn)矩、電動機轉(zhuǎn)速上升；當實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定值減小，并且通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)，是電動機電流下降，電動機將因為電磁轉(zhuǎn)矩減小而減速[16]。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和、輸出達到限幅值時，電流環(huán)即以最大電流Idm運行，實現(xiàn)電動機將以可能的最大加速度加速，使電動機的起動時間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)電動機的快速起、制動。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電動機快速制動。[2]雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)電源是靜止裝置，由電力電子AC/DC變換器供電，通過改變晶閘管的控制角來改變可控整流器輸出電壓的大小和極性，這種直流調(diào)速系統(tǒng)為“晶閘管-電機調(diào)速系統(tǒng)”，簡稱“V-M系統(tǒng)”。V是晶閘管整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器裝置GTF的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流器的輸出電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電機M調(diào)速[17]。由于晶閘管可控整流器的輸出電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電機的平滑調(diào)速。由于晶閘管可控整流器的輸出電流是單方向的，因此由單組可控整流器構(gòu)成的V-M系統(tǒng)，其輸出電流不允許反向。[3]雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應用的控制方式，最常用的PWM直流調(diào)壓調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速精度高、響應速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低等特點，特別在中、小容量的系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[18]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,70年代以來出現(xiàn)了有自關(guān)斷能力的電力電子器件,如,電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效管(P-MOSFET等)。由該類器件組成的直流脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation簡稱PWM功)率放大器已被成功地用于直流調(diào)速系統(tǒng)。它是利用器件的開關(guān)作用將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率為2kHz左右(或更高)的方波電壓,加在直流電動機的電樞上,通過對方波脈沖寬度的控制來改變電樞的平均電壓,從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速[19]。由于PWM調(diào)速系統(tǒng)中的功放元件工作在開關(guān)狀態(tài),且開關(guān)頻率高,故與V-M系統(tǒng)相比具有下列優(yōu)點:(1)電樞電流易連續(xù),系統(tǒng)低速性能好,調(diào)速范圍寬;(2)系統(tǒng)頻帶寬,快速性好,動態(tài)抗干擾能力強;(3)主電路器件開關(guān)損耗小,裝置效率高。

參考文獻[1]常萬倉,杜翠靜.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設計與仿真[A].第十三屆中國科協(xié)年會第10分會場-節(jié)能減排戰(zhàn)略與測控技術(shù)發(fā)展學術(shù)研討會論文集 [C].2011double-loopDCmotor[2]ZHAOYao,DINGLonghan.Intelligentcontrolofparallelspeedcontrolsystems[J].Proceedingsofthe3thWorldCongressonIntelligentdouble-loopDCmotorControlandAutomation,2000（7）:416-418 ．洪乃剛《電力電子技術(shù)基礎》清華大學出版社2008.1第1版P17洪乃剛《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真》機械工業(yè)出版社2006.1王昌翁國慶張有兵《電力系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真與應用》西安科技大學出版社P168黃忠霖黃京《電力電子技術(shù)的MATLAB實踐》黃京國防工業(yè)出版社2009.1P284周天平劉穎慧．全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)在軋制工藝過程中的應用[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008，21（4）：156-157邵雪卷張井崗趙志誠等.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究[J]。電氣電子教學學報，2008，30（1）：75-77機械工業(yè)出版社陳伯時《電力拖動自動控制系統(tǒng)》機械工業(yè)出版社陳伯時《電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)》周曉寧雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的研究程師論文大賽論文集基于PWM基于PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2000.6P49機械工業(yè)出版社2011。6第五屆ABB杯全國自動化系統(tǒng)工海南師范大學學報第23卷第4期2010.12[13]2000.6P49機械工業(yè)出版社2011。6第五屆ABB杯全國自動化系統(tǒng)工海南師范大學學報第23卷第4期2010.12[13]薛定宇[14]翁劍楓[15]潘曉晟逢海萍清華大學出版社2004年機械工業(yè)出版社2005年MATLABLabVIEWSystemView仿真技術(shù)基礎MATLAB電機仿真精華50例電子工業(yè)出版社PWM直流調(diào)速系統(tǒng)與機械工業(yè)出版社2005年2007年[16]9卷第4期1995.12SCIENCE&2007年[16]9卷第4期1995.12SCIENCE&TECHNOLOG[19]王耀德《交直流電力拖動控制系統(tǒng)》機械工業(yè)出版社2000.6[18]王忠禮段慧達高玉峰《