雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(課程設(shè)計).doc

課程設(shè)計說明書 NO.15雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及其仿真 班 級：自動化2班 學(xué) 號：xxxxxxxx 姓 名：xxxxxx 指導(dǎo)教師：xxxxxx 設(shè)計時間：2014年6月23日目 錄一、前言 31.課題研究的意義32.課題研究的背景3二、總體設(shè)計方案31. MATLAB 仿真軟件介紹32.設(shè)計目標(biāo)43.系統(tǒng)理論設(shè)計 54.仿真實驗 95.仿真波形分析13三、心得體會14四、參考文獻 16一、前言1課題研究的意義從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是一個典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過流保護電路等。直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。且直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以加深直流電機控制原理理解有很重要的意義。2課題研究的背景電力電子技術(shù)是電機控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器,電力電機技術(shù)的迅猛發(fā)展,促使了電機控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從20世紀(jì)60年代第一代電力 電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器 件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復(fù)合場控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬 勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓, 多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進,性能有了飛速提高,在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們在互相 競爭,新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。同時電機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電 子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展 成就。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。3注意什么問題二、總體設(shè)計方案1.MATLAB 仿真軟件介紹本設(shè)計所采用的仿真軟件是MATLAB。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)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(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB應(yīng)用非常之廣泛！MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。主要的優(yōu)勢特點為： 高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運算分析中解脫出來；具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握； 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。2.設(shè)計目標(biāo)設(shè)計一個雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調(diào)速范圍D=10，靜差率5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量5%，電流脈動系數(shù)10%；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量10%。系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護，觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。直流電動機數(shù)據(jù)：額定功率29.92KW，額定電壓220V，額定電流136A，額定轉(zhuǎn)速 1460r/m，=0.132Vmin/r， 允許過載倍數(shù)=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：=40電樞回路總電阻：R=1時間常數(shù)：機電時間常數(shù)=0.18s，電磁時間常數(shù)=0.03s電流反饋系數(shù)：=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007v min/r轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：=0.005s，=0.005s總飛輪力矩：GD=2.5N.mh=53.系統(tǒng)理論設(shè)計：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，達(dá)到本課程設(shè)計的要求。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖:圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計整流裝置滯后時間常數(shù)：三相電路的平均失控時間=0.0017s （3-1）電流濾波時間常數(shù)：=0.005s （3-2）電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取為：=+=0.0067s (3-3） 3.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為： = （3-4）檢查對電源電壓的抗擾性能： （3-5）符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標(biāo)都是可以接受的。電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：=0.03s。 （3-6）電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%是按書表2-2，應(yīng)取=0.5，因此： （3-7）于是，ACR的比例系統(tǒng)為： （3-8）電流環(huán)截至頻率： （3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： （3-10）忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為： （3-11）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為： （3-12）按所用的運算放大器取得。各電容和電阻值為：、 （2-13）Ri=40k （2-14）按照上面計算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%5%,滿足課題所給要求。3.3速度調(diào)節(jié)器設(shè)計電流環(huán)等效時間常數(shù)。取=0.5，則： （3-15）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，?。?0.005s。 （3-16）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，?。?（3-17）3.4選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-18）按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為： （3-19）并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： （3-20）則可得ASR的比例系數(shù)為： （3-21）3.5校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為： （3-22）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為： （3-23）轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時間常數(shù)近似處理條件為： （3-24）3.6計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取=40。各電容和電阻值為：， （3-25） （3-26）3.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，由書可以查得：=37.6%，這并不能滿足課題所給要求。實際上，由于表2-6是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。如下： （3-27）滿足課題所給要求。4.仿真實驗：為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，如圖2所示。圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，如圖3所示： 圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如 圖4所示：圖4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形及分析：ASR輸出限幅值 （4-1） ACR輸出限幅值 （4-2）調(diào)節(jié)限度器1將ASR輸出限幅值的Upper Limit和Lower Limit進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)?？傻玫缴仙龝r間最大的波形（=7.7s 限幅值=3.8V）和上升時間最?。?0.7s限幅值=14V）的波形。上升時間最大波形如圖5所示：圖5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最大波形圖上升時間最小波形如圖6所示：圖6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最小波形圖經(jīng)過雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最大波形與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最小波形對比可知：限幅值越大上升時間越小，限幅值越小上升時間越大；同時值越大，超調(diào)越??；值越小，超調(diào)越大。在符合設(shè)計要求的情況下，經(jīng)過多次的參數(shù)調(diào)整，得到一組較好的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表1和圖7所示：晶閘管放大系數(shù)Ks機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)允許過載倍數(shù)300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.6159.845500.220.01s表1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)圖7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)波形圖由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調(diào)節(jié)器它的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。5.仿真波形分析從波形中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：第階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達(dá)到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達(dá)到最大值后，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，電機才開始在負(fù)載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為： 1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。三、心得體會經(jīng)過這次課程的設(shè)計，使我明白了一門課程設(shè)計對學(xué)好該門課程的重要性。同時也感覺到自己在實踐動手能力方面的缺陷與不足，因此我將會在以后的學(xué)習(xí)和工作中不斷來加強這方面的鍛煉。這次課程設(shè)計的時間雖說是短暫的，但在這幾天中我學(xué)會了不少的東西，首先對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識，加深了理解，是對課堂所學(xué)知識的一次很好的應(yīng)用。通過這次課程設(shè)計，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進步。我想無論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是這次設(shè)計給我的一點小小的感悟。以前一直覺得理論知識離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過課程設(shè)計，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學(xué)習(xí)書本知識的興趣。再者我們學(xué)習(xí)的是工科，不單純只是理論方面的的工作，還應(yīng)該考慮到實際情況。在本次課程設(shè)計中也遇到了不少的工程問題和理論問題，但最后都得到了完滿的解決，在此十分的感謝課程設(shè)計指導(dǎo)老師-李俊圣老師的細(xì)心指導(dǎo)和幫助?？傊谠O(shè)計過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識，而且學(xué)會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。四、參考文獻1 阮毅, 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng) M. 4版. 北京：機械工業(yè)出版社，20