電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書(shū)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(dòng)機(jī)：，,，電樞回路總電阻，電樞電路總電感,電流允許過(guò)載倍數(shù)，折算到電動(dòng)機(jī)軸的飛輪慣量。晶閘管整流裝置放大倍數(shù)，滯后時(shí)間常數(shù)電流反饋系數(shù)電壓反饋系數(shù)濾波時(shí)間常數(shù)，;調(diào)節(jié)器輸入電阻。設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋使轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于0。目錄第一節(jié) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第二節(jié) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析第三節(jié) 雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四節(jié) 基于matlab/simulink的調(diào)速系統(tǒng)的仿真第五節(jié) 心得體會(huì)參考文獻(xiàn)第一節(jié) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原因采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)

2、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(wú)靜差。但對(duì)于要求較高的動(dòng)態(tài)性能的場(chǎng)合，由于單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩，因而難以滿足控制需求。為了實(shí)現(xiàn)在最大電流受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)最快起動(dòng)過(guò)程，要求在充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)速和負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。理想的起動(dòng)過(guò)程波形如圖1-1所示。采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)完全可以達(dá)到上述要求，在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不讓他和朱安度負(fù)反饋圖施加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又靠轉(zhuǎn)速的

3、負(fù)反饋?zhàn)饔?，不再依靠電流?fù)反饋起主要作用。圖1-1 調(diào)速系統(tǒng)理想快速起動(dòng)過(guò)程二、轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖1-1所示。這就是說(shuō)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再利用電流調(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)器在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速還在外變，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)。圖1-1 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，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器，其原理圖示與圖1-2。在圖上標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸

4、出點(diǎn)電壓的實(shí)際極性，它們是按照觸犯裝置gt的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅（飽和）電壓是，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓是，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。圖 1-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖第二節(jié) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析一、靜特性和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了分析雙閉環(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，如圖2-1所示。他可以很方便的根據(jù)圖1-2的原理圖畫(huà)出來(lái)，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。一

5、般存在這樣兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。檔調(diào)節(jié)器飽和時(shí)。輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi調(diào)節(jié)器的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。圖2-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能1、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示，圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電樞電流顯露出來(lái)。圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2、起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在但

6、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上的，實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外，很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求，這就需要一個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。由圖2-3啟動(dòng)電流的變化特性可知，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流很快加大到允許過(guò)載能力值，并且保持不變，在這個(gè)條件下，轉(zhuǎn)速得到線性增長(zhǎng)，當(dāng)開(kāi)到需要的大小時(shí)，電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流值，對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動(dòng)一開(kāi)始時(shí)應(yīng)為,隨著轉(zhuǎn)速n的上升，也上升，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，。3、動(dòng)態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和升速過(guò)程中，能夠在電流受電機(jī)過(guò)載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過(guò)程中，由于主電路的不可逆性，跟隨性能變差。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來(lái)說(shuō)，在

7、設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨性能。4、動(dòng)態(tài)抗擾性能負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)產(chǎn)生抗擾作用。因此在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）。為減少動(dòng)態(tài)速降（升），設(shè)計(jì)asr時(shí)必須要求系統(tǒng)有較好的抗擾性能指標(biāo)。同時(shí)，由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速之后才有所反應(yīng)。第三節(jié) 雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在進(jìn)行多環(huán)控制系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)時(shí)，一般的設(shè)計(jì)原則是：從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，一環(huán)一環(huán)地逐步想外環(huán)擴(kuò)展。在這里是，先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再對(duì)轉(zhuǎn)速換進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖

8、3-1所示，它增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來(lái)延滯。為平衡這一遲滯作用，通常在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，乘坐給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)形同的延滯，是二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從兒帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。圖3-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖一、電流環(huán)的設(shè)計(jì)1.時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。由電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中表1-2查得，三相橋式電路的平均失控時(shí)間為。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)（3）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.選著電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，而且因

9、此可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用pi型，其傳遞函數(shù)為3.選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)acr超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)?。ㄒ?jiàn)表2-2），因此于是，acr的比例系數(shù)為4.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率（1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：現(xiàn)在，滿足近似條件。（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：根據(jù)題意，得則即有現(xiàn)在滿足近似條件。（3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在滿足近似條件。4.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖3-2 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-2，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下， 取， 取, 取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：（見(jiàn)表2-2），滿

10、足設(shè)計(jì)要求。二、轉(zhuǎn)速環(huán)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，?。?）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.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故asr選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.選擇轉(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，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益于是，asr的比例系數(shù)為4.校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 （1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：現(xiàn)在滿足簡(jiǎn)化條件。（2）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖 3-3

11、 帶微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-3，取，則 取 取 取 取 取至此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)完畢。第四節(jié) 基于matlab/simulink的調(diào)速系統(tǒng)的仿真一、仿真軟件介紹利用matlab下的simulink軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(kù)(simpowersystems)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過(guò)simulink環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過(guò)程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來(lái)。掌握了強(qiáng)大的simulink工具后，會(huì)大大增強(qiáng)用戶系統(tǒng)仿真的能力。 在工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)典型i型系統(tǒng)或典型型系統(tǒng)的方法計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)

12、，然后利用matlab下的simulink軟件進(jìn)行仿真，靈活修正調(diào)節(jié)器參數(shù)，直至得到滿意的結(jié)果。也可用matlab仿真軟件包的設(shè)計(jì)工具箱設(shè)計(jì)其它各種控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器，鑒于篇幅不一一展開(kāi)。二、仿真設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)，用matlab/simulink對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以參考該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)形式，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如3-1圖所示。仿真模型與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的各個(gè)環(huán)節(jié)基本上是對(duì)應(yīng)的，需要指出的是，雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸出限幅的pi調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的工作情況，需要構(gòu)建考慮

13、飽和和輸出限幅的pi調(diào)節(jié)器。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積分調(diào)節(jié)器intergrate的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值有飽和模塊saturation設(shè)定。當(dāng)該調(diào)節(jié)器用作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr時(shí)，在起動(dòng)中由于開(kāi)始轉(zhuǎn)速偏差大，調(diào)節(jié)器輸出很快達(dá)到輸出限幅值，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后首先積分器退飽和，然后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出才從限幅值開(kāi)始下降。為了是系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔，利用了simulink的打包功能將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個(gè)分支模塊。三、仿真結(jié)果基于matlabsimulink仿真軟件的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模擬圖如圖4-1所示。圖4-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速波形圖4-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)電流輸

14、出波形第五節(jié) 心得體會(huì)兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。課程設(shè)計(jì)給我們提供了專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了本專業(yè)所學(xué)各門(mén)課程的理論，同時(shí)也使本學(xué)期電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程中的知識(shí)得到了鞏固和加強(qiáng)。特別是對(duì)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能、設(shè)計(jì)步驟以及設(shè)計(jì)方法都有了較為深刻的認(rèn)識(shí)和理解。在對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)中，有不少參數(shù)的計(jì)算方法以及課本中提供的公式不理解，但是通過(guò)同組同學(xué)的幫助以及在機(jī)上網(wǎng)查閱資料都將這些問(wèn)題一一解決。在對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速輸出為負(fù)無(wú)窮大，輸入偏差電壓為衡值，導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。通過(guò)同學(xué)的幫忙，最后在matlab中重新搭建仿真模擬結(jié)構(gòu)圖，才克服了系統(tǒng)失穩(wěn)的問(wèn)題并使最終輸出電流、轉(zhuǎn)速波形達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的要求。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了matlab仿真軟件中simulink模塊進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的使用。同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)