雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)

II■■三江學(xué)院《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)院系：機(jī)械工程學(xué)院學(xué)號(hào)：12009154014姓名：葉林朋班級(jí)：109154A指導(dǎo)老師：張奔李建民地點(diǎn)：L203日期：2012-7目錄TOC\o"1-5"\h\z一、設(shè)計(jì)思想2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)思想2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)思想5二、設(shè)計(jì)步驟9電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)9轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)12轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)量計(jì)算13三、總結(jié)心得14四、參考文獻(xiàn)15五、附件167■■-■ML--L一■?a-h~

1?系統(tǒng)仿真模型2?仿真輸出波形曲線圖3?Protel電路原理圖一、設(shè)計(jì)思想本文是根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)ASR和ACR的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法的基本思路我們知道首先應(yīng)該選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。因?yàn)殡娏鳝h(huán)作為內(nèi)環(huán)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，要求電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性,從動(dòng)態(tài)上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用下時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。因而電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主。所以本文采用典型I型系統(tǒng)。對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán),由于轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，主要要求系統(tǒng)抗干擾性能好和轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，所以將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型II系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖U*(s)U*(s)1nTs+1on氣fASR1U*(s)1nTs+1on氣fASR1Ts+1OiU(s)ACR^C^KsTs+11/RTs+1iI+1s）「*-RTsmTsTs+1Oi電流環(huán)aTs+1on圖1-1雙閉環(huán)調(diào)速糸統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上圖1-1是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)T按需要選定，以濾平oi電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使得二者在時(shí)間上恰好的配合。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用T表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常on數(shù)T的給定濾波環(huán)節(jié)。on電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思想⑴電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)在圖1-1點(diǎn)劃線框的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)和電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)T遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)T，因此，轉(zhuǎn)速的lmU*(s)1+Ts+1oiF3ACRU(U*(s)1+Ts+1oiF3ACRU(s)1RTs+1U0(s)Ts+1—oi圖1-2忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*(s)/0，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖1-3。iU*U*(s)圖1-3等效成單位負(fù)反饋糸統(tǒng)由于T和T比T小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),soil其時(shí)間常數(shù)為：T二T+TXisoi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成下圖1-4。

圖1-4小慣性環(huán)節(jié)近似處理⑵電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇圖1-4表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成W(s)二Ki(TiS+1)ACRTSi式中Ki式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)ti電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)和控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇T二Til則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖1-5所以的典型形式，其中U*U*(s)—i—K*s(Ts+1)圖1-5校正成典型I型糸統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖下圖1-6繪出了校正后電流環(huán)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性.圖1-6校正成典型I型糸統(tǒng)電流環(huán)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性3<wTTcsoi—>w是否滿足條件3<wTTcsoi—>w是否滿足條件TTcisoi校驗(yàn)—>w3Tcis⑶電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算由式W(s)二Ki(TiS+D可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是K和T，其中T已ACRTSiii選定，待定的只有比例系數(shù)K，它可根據(jù)所需的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。i計(jì)算電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益:計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：K二冊(cè)sXi如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式K二①和K二儼可以做相應(yīng)1cii2K0TsXi的改變，然后再次校驗(yàn)抗擾性能的指標(biāo)是否滿足。⑷計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖1-7，圖中U*i為電流給定電壓，-01為電流反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的d控制電壓U。c根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理計(jì)算K二RiR1根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理計(jì)算K二RiR1T二RCT二一RC是否滿40oi足要求。c0圖1-7含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思想

⑴電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)化簡(jiǎn)后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)W(s)，由圖1-5可知：Wcli(s)Wcli(s)=冊(cè)iKs(Ts+1)=Si1K1+I—s(Ts+1)Xi1T1:S^s2+s+1KKii忽略高此項(xiàng)，W(s)可降階近似為:cliW(s)W(s)沁cli—s+1Ki接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U*(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),i中應(yīng)等效為:I(s)W(I(s)W(s)—d=—沁U*U*(s)iKI這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)1k的一階慣性環(huán)節(jié)。⑵轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡(jiǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖i-i中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-8所示。U*(s)1+U*(s)1+.O—n■Ts+1onI(s)■d+an(s),C；ms_emi_Ts+1―on圖1-8用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成U*(s)/a，再把時(shí)間常數(shù)1/K和T的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成nIon

一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén)的慣性環(huán)節(jié)，其中T二丄+T，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡(jiǎn)SnXnKon成圖1-9。圖1~9等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中。現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。由此可見(jiàn)ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：W(s)ASRK(Ts+1)W(s)ASRnn—TS式中k——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)U*(U*(s)nK(ts+1)2LZn(s)s2(Ts+1)圖1-10校正后成為典型II糸統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:W圖1-10校正后成為典型II糸統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:W(s)二K(叮+1)aR邙ntsCTs(Ts+1)nemXn_KaR(ts+1)—nntPCTs2(Ts+1)nemXn令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益kn為:KaRnTPCTnemK(s+1)—Nn—s2(Ts+K(s+1)—Nn—s2(Ts+1)'Ln至于中頻寬為多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。⑶轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為:h+12h2T2LnASR的比例系數(shù)為：⑷校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為:(h+1卩CTem2haRTLnK―N-⑸計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容1圖1-11含給定濾波和反饋濾波的Pl型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)圖1-11，計(jì)算R二KRC=和C二4T0n是否滿足要求nn0nRonRn0最后對(duì)轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量進(jìn)行校核。下面根據(jù)第二步的思想進(jìn)行具體的步驟設(shè)計(jì)。二、設(shè)計(jì)步驟：Un二220V,I二30A，nN二970rmin，電樞回路總電阻R二0.50，機(jī)電時(shí)間N常數(shù)T二0.2s，電樞回路的電感L=15mH。m電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)￡T===0.03slR0.5計(jì)算電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)

計(jì)算電流反饋系數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)U-1R220-30x0.5021^i.■—n計(jì)算電流反饋系數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)U-1R220-30x0.5021^i.■—na—==0.211V?minrnc"N97010二0.221.5xI1.5x30N10NF面對(duì)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)1、確定時(shí)間常數(shù)⑴整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。由下表整流電路形式最大失控時(shí)間T/mssmax平均失控時(shí)間T/mss單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67取三相橋式電路的平均失控時(shí)間為T(mén)二0.0017s。s整流濾波時(shí)間常數(shù)T。由條件可知T二0.002soioi電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和仁。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T=T+T=0.0037s。工isoi2、2、W(s)二ACRKW(s)二ACRK(ts+1)ii—tsi0.03檢查對(duì)電流電壓的抗擾性能:0.03二8.11<10T二8.11<10―iT0.0037工i111152030

AC-Cma^X100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%t/Tm2.83.43.84.0t/Tv14.721.72&730.4參照上表典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3、計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：e=T=0.034s。I工i因此“0.50.5I工i因此“0.50.5K=—iT為i=聞s-1=135.1s-1于是，ACR的比例系數(shù)為KTK二一KTK二一i—i一-iK卩sR135.1x0.03x0.5八*==0.2540x0.224、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:wciwci=K=135.1s-ii閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件—二s-1二196.078s-1>w3T3x0.0017ci滿足近似條件。

滿足近似條件。11113x=3x=16.23s-1<wTT1x0.037ci'ml⑵忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。⑶電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件11s]11s]3*0.0017X0.002二180.775s-1>wci滿足近似條件。5、計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器的電路圖O-O—0/dRoO-O—0/dRoRo22Z~GiRq2I電2...}±Uoi可知計(jì)算各電阻和電容值，其中R二40k00R二KR二0.1x40R二KR二0.1x40k0二4k0ii0j_0.03R_4000i=7.5uF4xTC二oi

oiR04x0.00240000二0.2uF取R二4kGi取C二7.5uFi取C二0.2uFoi按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)b二4.3%<5%，滿足設(shè)計(jì)i要求。II下面對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)1、確定時(shí)間常數(shù)1⑴電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/K:有前面的計(jì)算可一二2T二2x0.0037s二0.0074siK?⑵轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)T:根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的紋波可知可知T二0.01s。onon

轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù)T:按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Sn—+T二0.0074+0.01二0.0174son其傳遞函數(shù)表達(dá)式為2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)表達(dá)式為(s、—K(Ts+1)WASR(s)nWASRTss3、計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為=hT=5x0.0174二0.087s為n轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益KNh+1=r=3964s-22h2T22x52x0.01742"SnASR的比例系數(shù)k(h+1)0CT6x0.22x0.211x0.2“2hdRT2x5x0.01x0.5x0.0174Sn4、檢驗(yàn)近似條件可得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為Ko=—n=Kt=396.4x0.087=34.5s-1cnONn1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為siK=1:135.1s-i=63.695s-i>osi3飛0.0037cn滿足簡(jiǎn)化條件。⑵轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為1K_1—I—i——*Is1—38.7s1>o3\T30.01cn'on滿足簡(jiǎn)化條件5、計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容R-■R—Con■R-4C~nR-■R—Con■R-4C~n丿Rbal-anConRn根據(jù)左圖，有KR=64x40k0=2560k0二2560k0■n0.1372560mF二-anConRn根據(jù)左圖，有KR=64x40k0=2560k0二2560k0■n0.1372560mF二0.05uF取C二0.05uF4T4x0.01■on40mF=1uF取C二1uFh345678910b52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%t/Tr2.402.652.853.03.13.23.33.35t/Ts12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111Ronon06、校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由上頁(yè)表查得，b=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)b<10%的要求。nn實(shí)際上，由于上表是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。□1、下面對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算設(shè)理想空載啟動(dòng)時(shí)z=0，h345678910AC/Cmaxb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%t/Tm2.452.702.853.003.153.253.303.40t/Tv13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85由上表查得

ACmaxCbAACmaxCbACAn-AC、八AnT=81?2%,帶b=(max)b=2(m^x)(尢—Z)NnCn*Cn*TbbmAnN=dNCe￡302015二67.9皿67.90.0174可得b=2x81.2%x(2—0)xx=2%<10%n9700.2可以滿足設(shè)計(jì)要求。三、總結(jié)心得這次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)又有了進(jìn)一步的熟悉。之前的一個(gè)讀書(shū)工程我選擇的也是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)