畢業(yè)設(shè)計(jì)基于工程設(shè)計(jì)法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 第1章 引 言41.1設(shè)計(jì)目的41.2設(shè)計(jì)要求5第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)62.1總體思路62.2總體設(shè)計(jì)6第3章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)83.1系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計(jì)83.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)83.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)10第4章 系統(tǒng)仿真12第5章 總結(jié)14參考文獻(xiàn)15 基于工程設(shè)計(jì)法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 【摘要】 本文按工程方法設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的，并通過s

2、imulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性?！娟P(guān)鍵詞】 雙閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 simulinkengineering design method based on double closed-loop dc motor control system design【abstract】 this project designed by a dc moter speed and current dual-loop speed control system.the system sets up the current detecting aspect,the current r

3、egulator acr and the speed detecting link,speed regulator asr,composes the current central and the speed central,the former through the feedback of the current components to level off the current,the latter through the feedback of speed detecting device to maintain the speed stably and finally elimi

4、nates the deviation of speed bias,thus allowing the system to the purpose of regulating the current and speed.simulink for system through system simulation,finally display control system model and the results of anti-truth. 【keywords】 double-loop the speed regulator the current regulator simulink第1章

5、 引 言 20世紀(jì)60年代以前，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，我們?cè)鴱V泛使用的是由機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此，該系統(tǒng)所需設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低。1957年，晶閘管問世，晶閘管變流裝置開始取代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，產(chǎn)生了晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但晶閘管整流裝置也有其缺點(diǎn)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成了困難。如今，可逆脈沖寬度調(diào)制器成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法。在工程設(shè)計(jì)與理論學(xué)習(xí)中，我們會(huì)接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)問題。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)

6、用廣泛、經(jīng)濟(jì)、適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。他具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)于被反饋環(huán)前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降等，就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)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(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨街電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望用最大的

7、加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。因此，我們可以采用雙閉環(huán)直流調(diào)速達(dá)到這種效果。1.1設(shè)計(jì)目的為了進(jìn)一步提高對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用能力，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一書的深入了解，會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來設(shè)計(jì)一般的控制系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)，一方面掌握設(shè)計(jì)方法、技巧，另一方面加強(qiáng)理論結(jié)合實(shí)際及指導(dǎo)解決實(shí)際問題的途徑，以期達(dá)到理論與實(shí)際的統(tǒng)一，從而提高同學(xué)們對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣和能力。既培養(yǎng)學(xué)生基于所學(xué)知識(shí)分析和綜合典型系統(tǒng)的能力，又使學(xué)生理解典型系統(tǒng)的工程背景、在掌握基礎(chǔ)理論和方法三、提高解決實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)問題的能力。1.2設(shè)計(jì)要求按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流雙

8、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。通過控制電樞電壓改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電樞電壓由三相橋式整流電路提供。系統(tǒng)參數(shù)：電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，主回路總電阻，允許的電流過載倍數(shù)，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。電磁時(shí)間常數(shù)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)。額定轉(zhuǎn)速時(shí)給定電壓，調(diào)節(jié)器asr,acr飽和輸出電壓，。設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1總體思路采用pi調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)，要求快速起制動(dòng)，因?yàn)楸M量

9、縮短其、制動(dòng)時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素，為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。因此，我們可以采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速來實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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，二者之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)連接，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。2.2總體設(shè)計(jì)方案一：?jiǎn)伍]環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)

10、測(cè)速發(fā)電機(jī)，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓與給定電壓比較后，得到偏差電壓，經(jīng)放大器，產(chǎn)生觸發(fā)裝置的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)得轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，就難以滿足要求。原理框圖如圖2-1 圖2-1 方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 該方案主要由給定環(huán)節(jié)、asr、acr、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)。因轉(zhuǎn)速環(huán)包圍電流環(huán)，故電流環(huán)稱為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，asr和a

11、cr串聯(lián)，把a(bǔ)sr的輸出當(dāng)作acr的輸入，再由acr的輸出去控制整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用具有輸入輸出限幅功能的pi調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)彌補(bǔ)了單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，能夠滿足動(dòng)態(tài)性能要求。圖2-2綜上所述，我們選用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第3章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本文所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要包含轉(zhuǎn)速給定電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、整流電路等幾部分，系統(tǒng)的總體框圖如下： 圖3-13.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，三相橋式整流電路的失控時(shí)間=0

12、.0017s。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)，三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有=3.33ms，因此取（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和，按小時(shí)間常數(shù)近視處理，取。2.確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成為何種典型結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，而且，因此，設(shè)計(jì)成典型系統(tǒng)3.電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可設(shè)為式中電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)4.選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)（1）電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):。（2）電流開環(huán)增益：因，故取，因此=135.1，于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)（3）電流反饋系數(shù)：5 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率（1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因?yàn)椋?/p>

13、所以滿足近似條件。（2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足。現(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖： 圖3-23.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為；（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，?。唬?）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。2. 確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用pi型，其傳遞函數(shù)為：。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)4.選

14、擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)（1）按跟隨和抗繞性能都較好的原則取h=5，則asr超前時(shí)間常數(shù)：；（2）轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：；（3）asr的比例系數(shù)為：（4）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：5 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件（2）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際上這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。當(dāng)h=5時(shí)，；而，因此，能滿足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)速環(huán)框圖如下： 圖3-3第4章 系統(tǒng)仿真由于本文只進(jìn)行了理論性設(shè)計(jì)，故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段對(duì)控制部分進(jìn)行matlab仿真，以

15、分析直流電機(jī)的啟動(dòng)特性，采用matlab的simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)在階躍輸入下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖所示：. 圖4-1在額定轉(zhuǎn)速和空載下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的仿真輸出波形。轉(zhuǎn)速波形：電流波形：控制電壓uc的波形：以上表明，利用matlab仿真平臺(tái)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)與調(diào)試，使得系統(tǒng)的性能分析過程簡(jiǎn)單。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以準(zhǔn)確地了解到理論設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)之間的偏差，逐步改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，得到最優(yōu)調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得系統(tǒng)的調(diào)試得到簡(jiǎn)化，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。第5章 總結(jié)經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)，不僅使在書上學(xué)到的知識(shí)得到了鞏固，而且還在設(shè)計(jì)中拓展了其它沒學(xué)過的知識(shí)，比如我學(xué)會(huì)了如何用公式編輯器，如何用visio進(jìn)行畫圖，如何用matlab進(jìn)行仿真，