運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化0507 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 直流雙環(huán)系統(tǒng)（一）的設(shè)計(jì)及仿真分析（二） 初始條件：已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)：電動(dòng)勢(shì)系數(shù)電樞回路總電阻觸發(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)電流與轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)；額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓調(diào)節(jié)器，飽和輸出電壓。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）試設(shè)計(jì)該轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)v-m調(diào)速系統(tǒng)（由三相半波相控變流裝置供電），要求系統(tǒng)的調(diào)速范圍d=10，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無差，電流超調(diào)量，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖并計(jì)算：(1) 電流反饋系數(shù)（啟動(dòng)電

2、流限制在以內(nèi)）和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；(2) 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，計(jì)算電阻和電容的數(shù)值（取）；(3) 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，計(jì)算電阻和電容的數(shù)值（?。?；(4) 讓電機(jī)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)行后電動(dòng)機(jī)突加額定負(fù)載，觀察并錄下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流等的波形，并進(jìn)行分析。時(shí)間安排：2008年12月29日上報(bào)設(shè)計(jì)選題2008年12月30日-200年1月4日確定并設(shè)計(jì)控制方案2009年1月5日-2009年1月8日按要求書寫課程設(shè)計(jì)說明書2009年1月9日提交報(bào)告指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目錄直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真.11.直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì).11.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成1

3、1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu).21.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu).22.參數(shù)計(jì)算32.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計(jì).32.2電流環(huán)的設(shè)計(jì).32.3速度環(huán)的設(shè)計(jì).43.matlab仿真.73.1仿真結(jié)構(gòu)圖.73.2仿真結(jié)果圖.83.3仿真結(jié)果分析.104.心得體會(huì).135.參考文獻(xiàn).13 直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析1. 直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(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：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。主

4、要原因是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。為了實(shí)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(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)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。 圖1-1轉(zhuǎn)速、

5、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖中，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)。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)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖。1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示pi 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 pi 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。 圖1-2

6、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。 圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2. 參數(shù)計(jì)算2.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計(jì)整流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)ts。三相半波電路的平均失控電壓ts=0.0033s。電流反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。2.2電流環(huán)的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，并保證穩(wěn)

7、態(tài)無誤差，因此選擇型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ，參照典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表，可知道該典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時(shí)，由典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表可知，應(yīng)取,因此于是的比例系數(shù)為（4）檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)節(jié)截止頻率為：1) 晶閘管傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件2） 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件2) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)處理 滿足近似條件。（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容因?yàn)?，所以各電阻和電容值為：參照上述參?shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟

8、隨性能指標(biāo)為=4.3%5%，滿足設(shè)計(jì)要求所以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為2.3速度環(huán)的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等小時(shí)間常數(shù)。=2 =20.0055s=0.011s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=+ =0.011+0.014=0.025s（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益于是的比例系數(shù)為(4)檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 滿足近似條件2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似條件為滿足近似條件（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由于，所以各個(gè)電阻和電容值為：（6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)

9、量當(dāng)時(shí)，由典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)表查得，=52.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)表是按線性系統(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。由典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表查得當(dāng)時(shí)，所以 能滿足設(shè)計(jì)要求所以，根據(jù)上述參數(shù)，速度環(huán)傳遞函數(shù)為3. matlab仿真 3.1仿真結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的參數(shù)，在matlab中的simulink環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，總結(jié)構(gòu)圖如圖3-1，轉(zhuǎn)速環(huán)asr如圖3-2，電流環(huán)acr如圖3-3所示 圖 3-1總結(jié)構(gòu)圖 圖3-2轉(zhuǎn)速環(huán)asr 圖3-3電流環(huán)acr3.2 仿真結(jié)

10、果圖電機(jī)轉(zhuǎn)速n仿真波形圖3-4直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流id仿真波形圖3-5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出ui*波形 圖3-6電流調(diào)節(jié)器輸出電壓（整流裝置輸入電壓uct）波形 圖3-7電機(jī)電樞電壓ud0波形 圖3-8 3.3 仿真結(jié)果分析3.3.1啟動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的是要獲得接近理想起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓u*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于下圖。圖3-9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形第階段，突加給定電壓，電流上升。由于機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm比電磁時(shí)間常數(shù)tl得多，即電機(jī)機(jī)械慣性比電磁慣性大得多，所

11、以轉(zhuǎn)速仍然為0,則轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)速反饋電壓un=0，因而轉(zhuǎn)速偏差電壓un = un* - un很大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器wasr進(jìn)入飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅值uim*。此階段電流調(diào)節(jié)器試圖按照電流設(shè)定值ui*將電樞電流id調(diào)節(jié)到電流最大值idm，所以電流迅速上升，而轉(zhuǎn)速的增加較小。第階段，恒流升速階段。經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，電樞電流被調(diào)節(jié)到idm，以充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力，使電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩加速。電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升。此階段由于轉(zhuǎn)速小于給定值，un*大于un，誤差un始終小于零，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直處于飽和狀態(tài)，其輸出一直保持uim*。電流調(diào)節(jié)器給定一直為uim*，因此在電流環(huán)定值控制作用下，

12、id保持idm，電磁轉(zhuǎn)矩保持最大值，電機(jī)恒加速度升速。第階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。上一階段結(jié)束時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)給定值，由于電機(jī)保持最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)繼續(xù)加速，當(dāng)速度大于給定值時(shí)，un 反號(hào)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器逐漸退出飽和，電流環(huán)給定值變小，這時(shí)電機(jī)電樞電流在電流調(diào)節(jié)器作用下迅速變小。在id減小到負(fù)載電流idl之前，電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)加速過程變慢，但仍然處在升速過程。id減小到idl時(shí)，轉(zhuǎn)速到達(dá)第一次峰值，隨后，id減小到idl以下，因而電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速減小。在經(jīng)過一段調(diào)節(jié)過程后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器完全退飽和，發(fā)揮其控制作用維持轉(zhuǎn)速恒定；而電流調(diào)節(jié)器則保持電樞電流與負(fù)載電流平衡。由以上的分析過程

13、可以看出，在電機(jī)啟動(dòng)階段，雙環(huán)系統(tǒng)利用電機(jī)過載能力，將電樞電流調(diào)節(jié)到最大值，從而產(chǎn)生最大的加速電磁轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)獲得極好的加速性能；而調(diào)節(jié)器的限幅作用，還使電機(jī)的電樞電流得到限制，從而防止電機(jī)過載、超過電機(jī)的過載能力而導(dǎo)致電機(jī)燒毀。3.3.2 負(fù)載變化擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程從圖1-3（雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖）可以看出，負(fù)載電流idl在電流環(huán)之外，因此其擾動(dòng)作用無法被電流調(diào)節(jié)環(huán)抑制，而是依賴于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流idl突然增大時(shí)，電樞電流id小于idl，電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)減速。轉(zhuǎn)速反饋電壓un減小而小于轉(zhuǎn)速給定電壓un*，轉(zhuǎn)速偏差un變正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器減大，使得電流調(diào)節(jié)環(huán)的給定值

14、迅速增大，在電流調(diào)節(jié)器的作用下電樞電流迅速增大到負(fù)載電流idl以上，從而使電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)加速。由于電流調(diào)節(jié)器的及時(shí)調(diào)節(jié)作用，電機(jī)的轉(zhuǎn)速還沒有減速超過給定太大，即在系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用下加速。電機(jī)轉(zhuǎn)速增大到給定以上時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器又降低電流調(diào)節(jié)器的給定值ui*，使電樞電流被調(diào)節(jié)到負(fù)載電流附近。經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速最終恢復(fù)到給定值，而電樞電流與負(fù)載電流平衡而使轉(zhuǎn)速不再變化。從以上分析過程可以看出，轉(zhuǎn)速環(huán)將負(fù)載電流擾動(dòng)包含其中，從而有效抑制了負(fù)載電流變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的干擾作用。4. 心得體會(huì)經(jīng)過兩個(gè)多星期的努力，我終于完成了這次運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)。通過這么多天的工作，我得到了很多收獲，也發(fā)現(xiàn)

15、了很多自己的不足之處。如果說考試是驗(yàn)證學(xué)習(xí)收獲的手段，那么課程設(shè)計(jì)就是對(duì)學(xué)習(xí)的升華。每次做課程設(shè)計(jì)，我都從中學(xué)到了不少有用的東西，這不光有有關(guān)課程的，還有許多課外的知識(shí)。這次也不例外，我不光對(duì)直流雙環(huán)系統(tǒng)有了更深刻的理解，同時(shí)對(duì)word，protell等工具的運(yùn)用也更加熟練。課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用了調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，尤其是型系統(tǒng)和型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過分析系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，確定調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，并最終用運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器。在設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)的降階處理也是至關(guān)重要的，通過處理，控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型大大簡(jiǎn)化，從而方便了后續(xù)設(shè)計(jì)的進(jìn)行。回想做課設(shè)的這些天，我感覺重要的是過程而不是結(jié)果，也許我的

16、設(shè)計(jì)有很多缺陷或者錯(cuò)誤，但是在做的過程中我學(xué)到了很多平時(shí)的學(xué)習(xí)中無法學(xué)到的知識(shí)和思考方法。這才是課設(shè)的價(jià)值所在。老師常說考試不是目的只是手段，我覺得做完課設(shè)也不是目的只是手段。它給我們提供了一個(gè)自己學(xué)習(xí)獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)，這是其他課堂或考試都做不到的。其實(shí)我們目前的知識(shí)還是十分有限的，有很多東西或許我們現(xiàn)在根本就理解不了的?？蛇@并沒有關(guān)系，關(guān)鍵是我們認(rèn)真的去思考了，并且我們?cè)谶@思考過程中得到了鍛煉與提高。另外，這次課設(shè)讓我認(rèn)識(shí)到了運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜性以及在工業(yè)應(yīng)用中的重要性。我感到僅僅是課本上的那點(diǎn)知識(shí)是很有限的，我只是剛剛?cè)腴T，還有很多東西要去學(xué)。在這設(shè)計(jì)過程中，我也曾經(jīng)因?yàn)閷?shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏失落過，也曾經(jīng)仿真成功而熱情高漲。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活