雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程課程設(shè)計(jì)課題雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)目錄第 1 章 雙閉環(huán)系統(tǒng)分析 .11.1系統(tǒng)介紹 .11.2系統(tǒng)原理 .11.3雙閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn) .1第 2 章系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) .22.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) .22.1.1時(shí)間參數(shù)選擇 .22.1.2計(jì)算電流調(diào)節(jié)參數(shù) .22.1.3校驗(yàn)近似條件 .32.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) .32.2.1電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： .32.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 .52.2.3計(jì)算控制器的電阻電容值 .5第 3 章 仿真模塊 .63.1電流環(huán)模塊 .63.2轉(zhuǎn)速環(huán)模塊 .6第 4 章仿真結(jié)果 .74.1電流環(huán)仿真結(jié)果 .74.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果 .74.4穩(wěn)

2、定性指標(biāo)的分析 .84.4.1電流環(huán)的穩(wěn)定性 .84.4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性 .8結(jié)論 .9參考文獻(xiàn) .10第 1 章 雙閉環(huán)系統(tǒng)分析1.1 系統(tǒng)介紹整流電路可從很多角度進(jìn)行分類， 主要分類方法是： 按組成的器件可分為不可控 ,半控和全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路； 按交流輸入相 數(shù)分可分為單相、 雙相、三相和多相電路；按控制方法又可分為相控整流和斬波控制整流電路。本系統(tǒng)采用的是三相全控橋式晶閘管相控整流電路。這是因?yàn)殡姍C(jī)容量相對(duì)較大，并且要求直流脈動(dòng)小、容易濾波。其交流側(cè)由三相電網(wǎng)直接供電，直流側(cè)輸出脈動(dòng)很小的直流電。在分析時(shí)把直流電機(jī)當(dāng)成阻感性加反電勢(shì)負(fù)載。因?yàn)殡?機(jī)電流連續(xù)所

3、以分析方法與阻感性負(fù)載相同，各參量計(jì)算公式亦相同。1.2 系統(tǒng)原理ASR（速度調(diào)節(jié)器） 根據(jù)速度指令 Un* 和速度反饋 Un 的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)， 其輸出是電流指令的給定信號(hào) Ui* （對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。ACR(電流調(diào)節(jié)器 )根據(jù) Ui* 和電流反饋 Ui 的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)， 其輸出是 UPE（功率變換器件的）的控制信號(hào) Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié) UPE的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te 與 TL 不相等轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)的變化。整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

4、與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。1.3 雙閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)，每一環(huán)都有調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。 工程設(shè)計(jì)方法遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則。步驟為：先設(shè)計(jì)電流環(huán)（內(nèi)環(huán)） ，對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理， 然后依照電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一種典型系統(tǒng)， 再根據(jù)控制對(duì)象確定其調(diào)節(jié)器的類型， 最后根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求來確定其調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)。 電流環(huán)設(shè)計(jì)完成以后，把電流環(huán)看成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。在電流檢測(cè)信號(hào)中常有交流分量，為了不讓它影響調(diào)節(jié)器的輸入，加入了低通濾波器，然而濾波環(huán)節(jié)可以使反饋信號(hào)延遲， 為了消除此延遲在給定

5、位置加一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。同理，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓常含有換向紋波，因此也在給定和反饋環(huán)節(jié)加入濾波環(huán)節(jié)。第 2 章 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)額定電流? =?3000= 18.75? =?160額定電阻?2160 2? = ? = 3000 = 8.53 設(shè)置晶閘管放大系數(shù) K?= 402.1.1 時(shí)間參數(shù)選擇整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) ?，利用三相橋式電路的平均控制時(shí)間?= 0.0017?(2-3)?電流濾波時(shí)間常數(shù)? = 0.002?電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)和?= ?+ ?= 0.0037?(2-1)(2-2)(2-4)(2-5)2.1.2 計(jì)算電流調(diào)節(jié)參數(shù)表 2-1典型 I

6、 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系m T 1 / T 2 T / T 21 / 51/101/ 201/ 30C max/ Cb * 100%27.8%16.6%9.3%6.5%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)? 20 10-3?= ? =0.785= 0.03?(2-6)電流開環(huán)增益：0.50.5-1?= ?= 0.0037135.1?(2-7)? =? -? ?160-24 0.785? ?= 0.088?/?(2-8)?15901010= 1.5?= 1.5 18.75 = 0.533V/A(2-9)?機(jī)電時(shí)間常數(shù)20

7、.072 0.785 1000? = 375? ?=230=2s? ?375 0.088?電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)?= ?= 0.03?電流調(diào)節(jié)器比例參數(shù)?135.1 0.03 0.785?= ? ?=40 0.5330.149?（2-10）(2-11)(2-12)2.1.3 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率(2-13)-1? = ? = 135.1? 電力電子變換器純滯后的近似處理? 1=1-1-1(2-14)3 0.0017? 196.1?3? 不考慮反電動(dòng)勢(shì)的變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響? 31= 31-1-1(2-15)?12.26? ?2 0.03? 電流環(huán)小慣性群的近似處理?11=11-1-1(

8、2-16)33? 180.8?0.0.17 0.02? ?電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算得， 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Ki 和，而已經(jīng)選定，需要求的只 Ki ，?可依照所要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選取。一般情況下，希望電流超調(diào)量為%52.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.2.1 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：放大倍數(shù) :1010= ? =1590 = 0.006?/?(2-17)?1= 2?= 2 0.0037 = 0.0074?(2-18)?表 2-2典型 II 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr / T2.402.652.853.03.

9、13.23.33.35tS / T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20K32211111轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)? = 0.01?查表 2-2 得 h=5慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)?= 1 + ? = 0.0074 + 0.001 = 0.0174? = ? ? = 5 0.00174 = 0.087?轉(zhuǎn)速開環(huán)增益? =?+12 =5+1-2222= 2191?2?25 0.0074?ASR比例系數(shù)( h+1)?=6 0.533 0.08882? =? ?2 5 0.785 0.006= 663.22? 0.0174?例（ 2-22）按上述參數(shù)設(shè)計(jì)超調(diào)

10、量= 2% ?0.0037?轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理1?=1135.1-1（）3?3 38.7? ?0.01?2-25?2.2.3 計(jì)算控制器的電阻電容值取 R0=4k? = ?0 = 686.8 4 = 2747.2 （ 2-26）? =?0.087= 0,03uF（2-27 ）? =n?2740 10004?4 0.01?=?=4 1000= 0.1?（ 2-28）0當(dāng) h=5 的時(shí)候有 %=37.5，不能滿足設(shè)計(jì)要求，采用退飽和超調(diào)設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí) Z=0，允許過載倍數(shù)為 1.5 ，則? = 2?(- z)能滿足設(shè)計(jì)要求?18.75 0.7850.01740.0888?= 281.2%1

11、.5 ?1590= 2% 10%?2?第 3 章 仿真模塊3.1 電流環(huán)模塊圖 3-13.2 轉(zhuǎn)速環(huán)模塊圖 3-2第 4 章 仿真結(jié)果4.1 電流環(huán)仿真結(jié)果4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果圖 4-1圖 4-24.4 穩(wěn)定性指標(biāo)的分析4.4.1 電流環(huán)的穩(wěn)定性由附圖 4.1 中仿真圖可以看到， 當(dāng)其幅頻特性曲線過 0 時(shí)，既其轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)相頻率特性曲線的點(diǎn)在 -180 之上，并且仍有一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性由附圖 4.2 中仿真圖可以看到， 當(dāng)其幅頻特性曲線過 0 時(shí)，既其轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)相頻率特性曲線的點(diǎn)在 -180 之上，并且仍有一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。ACR的。帶A

12、SR的結(jié)論雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)過程中， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從啟動(dòng)時(shí)間上看，第二階段恒流升速是主要的階段， 因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制” 。啟動(dòng)時(shí)，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用， 調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流保持最大， 使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速

13、起動(dòng)過程波形的。按照 ASR 在起動(dòng)過程中的飽和情況，可將起動(dòng)過程分為三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制” PI 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，作用是對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。作用是電流跟隨，過流自動(dòng)保護(hù)和及時(shí)抑制電壓波動(dòng)實(shí)驗(yàn)仿真調(diào)試過程， 出現(xiàn)兩條仿真曲線成上下震蕩的表現(xiàn)形式， 檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)比例參數(shù)設(shè)置的較大，最后選取了較小的參數(shù)，得到了滿意的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中還遇到一個(gè)問題，就是即使運(yùn)用了比例積分調(diào)節(jié)，但是抗干擾性還是不好，不知道能否利用 PID 調(diào)節(jié)得出更加滿意的結(jié)果 ?參考文獻(xiàn)1 文亞鳳 . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法的數(shù)字仿真 . 現(xiàn)代電力 .20002 潘繼安 . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及程序編制 . 四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào) .20013 陳渝光 . 電氣自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社2004 年 9 月 1 日4 趙明 . 直流調(diào)速系統(tǒng) . 機(jī)械工業(yè)出版社 .20035 姬宣德 . 韓英 . 李廣宏 . 基于 matlab 的直流雙閉環(huán)調(diào)速