雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計

.引言直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。該系統(tǒng)中設置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調節(jié)器以及轉速檢測環(huán)節(jié)、轉速調節(jié)器，構成了電流環(huán)和轉速環(huán)，前者通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流，后者通過轉速檢測元件的反饋作用保持轉速穩(wěn)定，最終消除轉速偏差，從而使系統(tǒng)達到調節(jié)電流和轉速的目的。該系統(tǒng)起動時，轉速外環(huán)飽和不起作用，電流內環(huán)起主要作用，調節(jié)起動電流保持最大值，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉速負反饋外環(huán)起主要作用，使轉速隨轉速給定電壓的變化而變化，電流內環(huán)跟隨轉速外環(huán)調節(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)直流調速系統(tǒng)的特性。一設計目的1了解自動控制系統(tǒng)學科。2學習繪畫雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)結構框圖。3掌握雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析。4體會參數(shù)設計的過程及工程設計方法的基本思路。5. 利用MATLAB仿真。二直流調速系統(tǒng)設計1.雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者實行嵌套連接，如圖一所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面稱為內環(huán)，轉速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就形成了轉速，電流反饋控制直流調速系統(tǒng)。圖1 轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)原理圖2.雙閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性圖2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖轉速調節(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節(jié)器退出飽和；當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(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，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調節(jié)器不進入飽和狀態(tài) 。3.雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖3所示，圖中分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構圖中必須把電樞電流Id顯露出來。圖3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖4.雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的調速方法調節(jié)轉速可以有三種方法：（1）調節(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無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調速，但調速的范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以改變電壓調速為主。5.電流環(huán)、速度環(huán)的設計 5.1 初始條件某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(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,額定電流；額定轉速,，允許過載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時間常數(shù)；電流反饋系數(shù)；轉速反饋系數(shù)。5.2電流調節(jié)器的設計（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 根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可將電流環(huán)校成典型系統(tǒng)，典型系統(tǒng)的跟隨性較好，超調量較小。設傳遞函數(shù)的形式為：（2）計算電流調節(jié)器的參數(shù)電流調節(jié)器的超前時間參數(shù)：電流開環(huán)增益 ：要求時，應該取,因此： 根據(jù)上述的設計參數(shù)， 參照表1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。 55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.72.730.4表1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系（3）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率 1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 ，滿足近似條件。3） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5.3轉速調節(jié)器設計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)。取，則： 設計PI調節(jié)器，起傳遞函數(shù)為：（2）計算轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為：進而可求得，轉速環(huán)開環(huán)增益：可求得ASR的比例系數(shù)為：（3）校驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為 1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 ，滿足簡化條件。 2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為，滿足近似條件。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&laboratory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計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、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、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領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，按典型系統(tǒng)的設計方法得到的PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應的仿真輸出的波形如圖5所示。 圖5電流環(huán)的仿真結果（3）KT=0.25時，按典型系統(tǒng)的設計方法得到的PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應的仿真輸出的波形：圖6 電流環(huán)無超調輸出波形（4）KT=1.0時，按典型系統(tǒng)的設計方法得到的PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應的仿真輸出的波形：圖7 電流環(huán)超調較大輸出波形3.2轉速環(huán)的仿真（1）轉速環(huán)的仿真模型如圖8所示。圖8 轉速環(huán)仿真模型（2）PI調節(jié)器按照計算出來的結果：?？蛰d起動時波形如圖9所示。圖9轉速環(huán)空載起動輸出波形（3）滿載運行時起動的波形：圖10 轉速環(huán)滿載高速起動輸出波形（4）抗干擾性的測試：圖11 轉速環(huán)的抗干擾輸出波形四設計結果通過對電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計，合理的選擇參數(shù)，由所得的仿真結果圖形可以看到，設計結果滿足設計要求。五設計心得這次課程設計中，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)的核心內容-轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)有了更深的理解，對典型I系統(tǒng)設計加深了認識。通過matlab的仿真，使我對雙閉環(huán)反饋控制的直流調速系統(tǒng)有了直觀的印象。課程設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)我們內在創(chuàng)新意識的途徑。通過對系統(tǒng)的設計，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張潤和.電力電子技術及應用.北京大學出版社，2008年