雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的教學規(guī)劃(MATLAB仿真)

1、任務書轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計設計任務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)為：直流電動機：U=440V,I=365A,n“=950r/min,R=0.040,nnNa電樞電路總電阻R=O.O8250,電樞電路總電感L=3.0mH,電流允許過載倍數(shù)入=1.5,折算到電動機飛輪慣量GD2=20Nm2。晶閘管整流裝置放大倍數(shù)Ks=40,滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s電流反饋系數(shù)P=0.274V/A(J0V/1.5IN)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.0158Vmin/rgiOV/nN)濾波時間常數(shù)取Toi=0.002s,Ton=0.01sU*二U*二U*=15V；調(diào)節(jié)

2、器輸入電阻R=4Ok0nmimcma設計要求(1)穩(wěn)態(tài)指標:無靜差(2)動態(tài)指標:電流超調(diào)量。5%；采用轉(zhuǎn)速微分負反饋使轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于0。tTOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 任務書I目錄II HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 前言1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹2 HYPER

3、LINK l bookmark12 o Current Document 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型8起動過程分析9 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第二章調(diào)節(jié)器的工程設計13 HYPER

4、LINK l bookmark22 o Current Document 調(diào)節(jié)器的設計原則13 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document I型系統(tǒng)與口型系統(tǒng)的性能比較14 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 電流調(diào)節(jié)器的設計15 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 結(jié)構(gòu)框圖的化簡和結(jié)構(gòu)的選擇15時間常數(shù)的計算17 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)18 HYPERLINK l bookma

5、rk36 o Current Document 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)18 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 校驗近似條件19 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容20 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計21 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡21 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 確定時間常數(shù)

6、22 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)22 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)23檢驗近似條件24計算調(diào)節(jié)器電阻和電容24第三章Simulink仿真25電流環(huán)的仿真設計25 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設計26雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設計28 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 第四章設計心得30 HYPERLINK l bookmark62

7、o Current Document 參考文獻31前言許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)

8、性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。

9、這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。本次設計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗

10、干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。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)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流I值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理dcr想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1

11、-(a)所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。(a)(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程小，因而加速過程必然拖長。(a)(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程圖1調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形在實際工作中，我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最

12、大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值I的恒流過程，按照反饋控制規(guī)dm律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別

13、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，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉(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。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)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。ASH

14、r1圖ASHr1圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*j、Uj電流給定電壓和電流反饋電壓；ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測速發(fā)電機；TA一電流互感器；UPE一電力電子變換器1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性U*n+ASRU*U*n+ASRU*IiACRUUPECtI興UnUd0+dR-l/Ce圖3:雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值;不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸

15、出，相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓AU在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，Un*=Un=axn=axn(1-1)Ui*Ui*=Ui=0 xId1-2)U*N由式（1-1）可得：n=a=NU*從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，Ui*iM可知1dU0，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）Ugi才從限幅值降下來，竹與也隨之降了下來，但是，由于Ia仍大于負載

16、電流IL，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到J式中.ci13mI電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(成U*i(s)/卩，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。圖8等效成單位負反饋系統(tǒng)最后，由于Ts和T0i般都比T|小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為5=Ts+Toi5=Ts+Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖8圖8圖223C節(jié)的近似處理2.3.2時間常數(shù)的計算1直流電機參數(shù)Ce=UN-INRa=0。4478min/rnN2、整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017so3電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s。

17、4電流環(huán)小時間常數(shù)之和T二Ts+Toi=0。0017s+0。002s=0.0037s5、電樞回路電磁時間常數(shù)T=L=0.003=0.03641R0.08256、電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)TGD2TGD2Rm375CCem=0.1485375*0.4478*0.4478*-兀2.3.3選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)要求電流無靜差，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫

18、成式中W(s)ACRK(ts+1)iits2-5)Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：二=0.0364=9.84,參照典型I型系統(tǒng)動T0.0037態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的。2.3.4計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=Tl=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求v5%時，應取KJ習=0.5，因此0.5_0.5T-0.0037為i二135.1s-1于是，ACR的比例系數(shù)為：KtRKps135.1x0.0364x0.082540 x0.0274二0.37022.3.5校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=K=1

19、35.1s-i;晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：1_13T_3X0.0017ss=196.1s-1滿足近似條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：3占=0.1485Xo.0364=4804滿足近似條件ml電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：1丁_I13TT0.0017x0.02soi-180.8滿足近似條件2.3.6計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容RAI魚I魚RAI魚I魚圖9PI型電路調(diào)節(jié)器的組成按所用運算放大器取R0按所用運算放大器取R0=4Okq，各電阻和電容值為：R二KR二0.3702x40kQ二14.82kQ取15kQii0Ci沖=lF=24朗取2.4朗ioi4ToiR4oi4ToiR4x0.0

20、0240 x103F=0.2pF取0.2pF轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為q*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應等效為1TOC o 1-5 h zI(s)W(s)Pd=cliQU*(s)卩11is+1KI用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖10所示和電流環(huán)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)，同時將給定信號改成U*n(s)/a，再把時間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中T=丄+T工nKon圖10用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)

21、結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖11圖11等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖確定時間常1電流環(huán)等效時間常數(shù)I/%。由電流環(huán)參數(shù)可知KJ習=0.5,則1二2T二2x0.0037二0.0074sK工iI2、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Tn。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01s3轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T“。按小時間常數(shù)近似處理，取1T二+T二0.0074+0.01二0.0174s工nKon選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型口型系

22、統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(、K(ts+1)W(S)二一n_nASRtsn式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：t二hT二5x0.0174二0.087sn工nh+h+12h2T2En2x52x0.01742_396.4s一2ASR的比例系數(shù)為：(h+1)|3CTe_m2haRTEn6(h+1)|3CTe_m2haRTEn2x5x0.0158x0.0825x0.0174CMCM18s18sIE9HUNJ寸：疙oox寸96T

23、*0.0H-I.E一IV-IE5ia8itf(I357H3CMCM*取R0=40kq，則R二KR=48.2x40kQ=1928kQ取1928kQ；nn0CT0.087F0.0451uF取0.045yF；nRn1928x1034T4x0.01CoaF1yF取1pFonR40 x1030當h=5時，查詢典型口型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出b二37.6%，不能滿足設計要求，需要添加微分負反饋：nT4h+2T4x5+2x0.01740.0638sdah+1Xn5+1T0.0638Cda-F1.6yF取1.6yFdaR040 x103RT0.016.25kq取6.25kQdaCda1.6yF第三章Simulink仿真3.1電流環(huán)的仿真設計校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過化簡和