轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告題目:轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 班 級(jí) 電氣0807班 學(xué) 號(hào) 2008001015 學(xué)生姓名 胡少杰 指導(dǎo)老師 李嵐 王旭平 日 期 2012年1月13號(hào) 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)題目轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 設(shè)計(jì)要求根據(jù)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制理論，按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的步驟如下：1） 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)；2） 在簡(jiǎn)化電流環(huán)的條件下，設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將速度環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)；3） 進(jìn)行Simulink仿真。

2、4.設(shè)計(jì)內(nèi)容1） 設(shè)計(jì)思路：帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)，由于它能夠隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)的改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化，所以相對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)它能夠有效的減少穩(wěn)態(tài)速降。當(dāng)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用帶比例放大器時(shí)，它依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的，因此是有靜差率的調(diào)速系統(tǒng)，而比例積分控制器可使系統(tǒng)在無(wú)靜差的情況下保持恒速，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的沖擊電流以及電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流，可以用附帶電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)，但這并不能控制電流的動(dòng)態(tài)波形。按反饋的控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該基本量基本不變，采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。另外，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜

3、合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)速。例如，在帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)中，同一調(diào)節(jié)器擔(dān)負(fù)著正常負(fù)載時(shí)的速度調(diào)節(jié)和過(guò)載時(shí)的電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)無(wú)法保證兩種調(diào)節(jié)過(guò)程均具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。按照電機(jī)理想運(yùn)行特性，應(yīng)該在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速反饋，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性就在于當(dāng)負(fù)載電流小于最大電流時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用，當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)，電流負(fù)反饋起主要作用，得到電流的自動(dòng)保護(hù)。2)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成：a. 系統(tǒng)電路原理圖圖2-1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二

4、者串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(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。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對(duì)就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。b. 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(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，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來(lái)了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)相

5、同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時(shí)間常數(shù)為T(mén)on的給定濾波環(huán)節(jié)。1） 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的ACR：設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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。一下取=3.14計(jì)算，故機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電磁時(shí)間常數(shù)a.確定時(shí)間常數(shù)整

6、流濾波時(shí)間常數(shù)Ts，三相橋式電路滯后時(shí)間常數(shù)；電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi，給定為；電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)Ti，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。b.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)要求：i%5%，并保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流無(wú)誤差，因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為: WACR(s) =檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：,滿足要求。c.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.01min/r電流反饋系數(shù)：=0.121V/AACR超前時(shí)間常數(shù): ;電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求i%5%時(shí)，應(yīng)取，因此： 于是，ACR的比例系數(shù)為： d.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率；晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為：

7、現(xiàn)在，滿足近似條件；忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件為： =51.23，滿足近似條件；小時(shí)間常數(shù)近似條件處理?xiàng)l件為： =180.8， 滿足近似條件。e.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理如圖31所示，所用運(yùn)算放大器給定R0=40k，各電阻和電容值計(jì)算如下： ，取。 ，取1。，取0.2。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：i%=4.3%<5%，滿足設(shè)計(jì)4）按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的ASR：a.確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為；轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton ，給定為 Ton=0.01s；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取=。b選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有

8、積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)速度環(huán)，故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：c.計(jì)算速度調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： 于是，ASR的比例系數(shù): d.校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率：;電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： 現(xiàn)在， ,滿足簡(jiǎn)化條件;轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似條件為： 現(xiàn)在 = ,滿足近似條件。e.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理圖如圖32所示，給定，則，取560k。，取0.16。取1。圖3-2 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 f校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 查表不符合要求，按ASR退飽和重新計(jì)算超調(diào)量 當(dāng)h=5時(shí)，=81.2，而=

9、因此=81.2（1.5-0）=6.89%<10%，能滿足設(shè)計(jì)要求。5）內(nèi)、外開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的比較圖41把電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性畫(huà)在一張圖上，其中各轉(zhuǎn)折頻率和截止頻率依次為： ， ， ， 。以上頻率一個(gè)比一個(gè)小，從計(jì)算過(guò)程可以看出，這是必然的規(guī)律。因此，這樣設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)一定比內(nèi)環(huán)慢。一般來(lái)說(shuō)，。從外環(huán)的響應(yīng)速度受到限制，這是按上述方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)的缺點(diǎn)。然而，這樣一來(lái)，每個(gè)環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對(duì)系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利?？傊?，多環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：以穩(wěn)為主，穩(wěn)中求快。1） 進(jìn)行Simulink仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性a. 電流閉環(huán)的仿真校正后電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

10、成了如下的典型形式：其中。在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖：為了研究系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響，分別取KI TSi =0.39、0.50、0.69、1.00，此時(shí)KI的值也會(huì)隨之變化，運(yùn)行仿真，即可得不同KI值的階躍響應(yīng)曲線： 圖6-1 KT=0.39的階躍響應(yīng)曲線圖6-2KT=0.50的階躍響應(yīng)曲線圖6-3 KT=0.69的階躍響應(yīng)曲線圖6-4 KT=1.00的階躍響應(yīng)曲線由曲線可以看出如果要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可??；如果要求系統(tǒng)超調(diào)小，則應(yīng)把KT的值取小些，可取KT<0.39;無(wú)特殊要求，取折中值KT=0.5，稱為最佳二階系統(tǒng)。圖6-1圖6-4反映了PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的影響

11、趨勢(shì)，在工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)工藝的要求，直接修改PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，找到一個(gè)在超調(diào)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快慢上都較滿意的電流環(huán)調(diào)節(jié)器。b. 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)在增加轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下：校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：其中。在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖： 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)為滿足系統(tǒng)在不同需求下的跟隨性與抗擾行能要求，取h的之分別為：3、5、7、9.用matlab仿真結(jié)果如下：圖7-1h=3時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖7-2h=5時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖7-3h=7時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖7-4h=9時(shí)的階躍響應(yīng)曲線由圖可以看出：h值越小，動(dòng)態(tài)降落也越小，恢復(fù)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間也短，抗擾性能也越好，但

12、是，從h<5以后，由于震蕩劇烈h越小，恢復(fù)時(shí)間反而延長(zhǎng)，綜合起來(lái)看，h=5是最佳選擇，也即最佳三階系統(tǒng)。 對(duì)電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)都是根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)參數(shù)的，對(duì)比型、型系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)：型系統(tǒng)可以在跟隨性上做到超調(diào)小，但抗擾性能差；而型系統(tǒng)超調(diào)卻相對(duì)較大，抗擾性能較好。5.設(shè)計(jì)心得a.通過(guò)該次設(shè)計(jì)，更加熟悉掌握了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及它的工作原理，加深了對(duì)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)有靜差、無(wú)靜差調(diào)速的理解-閉環(huán)結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力；無(wú)靜差調(diào)速則保證系統(tǒng)有較低的穩(wěn)態(tài)誤差。b.由此也初步掌握雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，其基本思想是先內(nèi)環(huán)再外環(huán)。在結(jié)構(gòu)框圖的處理過(guò)程中有多處近似處理，簡(jiǎn)化了傳遞函數(shù)，從而使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，因此稱為被稱為“工程設(shè)計(jì)方法”，這意味著在實(shí)際的應(yīng)用中，在可以大大簡(jiǎn)化分析過(guò)程卻很小影響分析結(jié)果的方法是很有價(jià)值的。從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)、從閉環(huán)無(wú)靜差到有靜差、從單環(huán)到雙環(huán)著一些列的變化顯示人們?nèi)酥臐u進(jìn)性。c.matlab仿真是自己臨時(shí)撿起matlab課本重新回顧才完成的，仿真的直觀的證明了最佳二階