轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(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)仿真與設(shè)計(jì)2 .設(shè)計(jì)任務(wù)已知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(dòng)機(jī)：160V、120A、1000r/min、Ce=0.136Vmin/r,允許過載倍數(shù)入=2）晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=303）電樞回路總電阻：R=0.4Q4）時(shí)間常數(shù)：T1=0.023S,Tm=0.2s,轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Ton取0.01s5）電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的給定電壓均為10V試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并

2、用Simulink建立系統(tǒng)模型，給出仿真結(jié)果。系統(tǒng)要求：1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量（T05%空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)超調(diào)量on<10%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，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。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)開環(huán)系統(tǒng)它能夠有效的減少穩(wěn)態(tài)速降

3、。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)在無靜差的情況下保持恒速，實(shí)現(xiàn)無靜差調(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)和過載時(shí)的電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器

4、的動(dòng)態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程均具有良好的動(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ASRffiACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者用級(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)器的輸出去控制品閘管整流器的觸發(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

5、帶有限幅，ASR的輸出Bg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gJ圖21雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖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)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。具作用是：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O(shè)計(jì)上的方便

6、。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Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。Toi電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton一轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)圖22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3)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。a.確定時(shí)間常數(shù)整流濾波時(shí)間常數(shù)Ts,三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s；電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi,三相橋式電

7、路每個(gè)波頭的時(shí)間是0.0033s,為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12）Toi=0.0033s,因止匕取Toi=2ms=0.002s；電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)T按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T±=Ts+Toi=0.0037&b.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)要求：（r%c5%,并保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流無誤差，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)=Kiisc.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率ciKI135.1s晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為:wci一二196.1,滿足近似條件;3Ts忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件為:wci3j=44.2,滿足近似條件;小時(shí)間常數(shù)近似條件處理?xiàng)l件為

8、:=180.8,滿足近似條件TsToid.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，按所用運(yùn)算放大器取R0=40kQ,各電阻和電容值計(jì)算如下：,取0.75。RiCi5二Uc圖31含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：cr%=4.5%<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2Ti0.0074s;轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton,根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)波紋情況，取Ton=0.01s；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tn=2TiTon0.0174s。b.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速

9、調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型R型系統(tǒng)設(shè)計(jì)速度環(huán)，故AS砒用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：ns1WASR(s)Knnsc.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：nhTn50.01740.087s,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：Kn言上396.4s2于是，ASR勺比/J系數(shù)：=12.9d.校驗(yàn)近似條件由轉(zhuǎn)速截止頻率:KNcnKNn34.5s1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：,滿足簡(jiǎn)化條件;轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似條件為:,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3-2所示，取R040k,則,取550k。,取0.1500UnRnCnUi©圖

10、3-2含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：當(dāng)h=5時(shí)，查表得,雖然不滿足設(shè)計(jì)要求，而實(shí)際上，突加階躍給定時(shí)，ASRS和，應(yīng)按退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量，實(shí)際，滿足設(shè)計(jì)要求。5）內(nèi)、外開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的比較圖4-1把電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性畫在一張圖上，其中各轉(zhuǎn)折頻率和截止頻率依次為：270.3s1157.51s,0.0174cn一一，134.51s,11.5sn0.087以上頻率一個(gè)比一個(gè)小，從計(jì)算過程可以看出，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。一般來說,，一，一1ci100150s,cn20-50s1。從外環(huán)的響

11、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，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。總之，多環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：以穩(wěn)為主，穩(wěn)中求快。圖41又閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性6)晶閘管的電壓、電流定額計(jì)算a.晶閘管額定電壓Un品閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Um,考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，即按下式選取Un=(23)Um,式中系數(shù)23的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對(duì)可靠性的要求程度而定。b.晶閘管額定電流In為使品閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計(jì)算其電流額定值。即必須使元件的額定

12、電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。可按下式計(jì)算：In=(1.5-2)KfblMAx0式中計(jì)算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)a=0時(shí)，三相全控橋電路Kfb=0.368,故計(jì)算的晶閘管額定電流為lN=(1.52)KfblMAx=(1.52)>0.368依20¥.5)=182.16242.88A,取200A7)平波電抗器計(jì)算由于電動(dòng)機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而計(jì)算直流回路附加電抗器的電感量時(shí)，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。a.電樞電感量Lm按下式計(jì)算LmKdUn103(m

13、H)2PnNINP-電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù),Kd計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無補(bǔ)償電機(jī)：Kd=812。b.整流變壓器漏電感折算到次級(jí)繞組每相的漏電感Lb按下式計(jì)算,UK%.LbKb?一100U2變壓器次級(jí)相電壓有效值,整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)。Id(mH)Id一晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流，Kb與C.變流器在最小輸出電流Idmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L按下式計(jì),K?U2LIdminK是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則L=17.01(mH).6)進(jìn)行Simulink仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性a.電流閉環(huán)的仿真如下圖:電流環(huán)的仿直設(shè)計(jì)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KiTi=

14、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6-1KT=0.39的階躍響應(yīng)曲線圖6-2KT=0.50的階躍響應(yīng)曲線圖6-3KT=0.69的階躍響應(yīng)曲線nnwoir«ii4o圖6-4KT=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，可取KT=0.69-1.0;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)

15、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)開環(huán)傳遞函數(shù)如下：Wn(S)Kn(nS1)2_s(TnS1)校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下所示:Bp仁力（備）r-|kqa（分+1）上叫op；s+"一廠;其中KnKnRCTne1m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

16、小，恢復(fù)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間也短，抗擾性能也越好，但是，從h<5以后，由于震蕩劇烈h越小，恢復(fù)時(shí)間反而延長，綜合起來看，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I型、n型系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)：I型系統(tǒng)可以在跟隨性上做到超調(diào)小，但抗擾性能差；而n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)開環(huán)、閉環(huán)有靜差、無靜差調(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)框圖的處理過程中有多處近似處理，簡(jiǎn)化了傳遞函數(shù)，從而使問題得到簡(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)化分析過程卻很小影響分析結(jié)果的方法是很有價(jià)值的。從開環(huán)到閉環(huán)、從閉環(huán)無靜差到有靜差、從單環(huán)到雙