運(yùn)動(dòng)控制中期作業(yè)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中期試題 學(xué)院：電氣與控制工程學(xué)院 班級(jí)：自動(dòng)化1206 姓名： 學(xué)號(hào)：一：設(shè)計(jì)要求與參數(shù)1、已知參數(shù)：某轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電，已知基本數(shù)據(jù)如下： ， 電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，電樞回路總電阻：，允許過載倍數(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)。設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓，調(diào)節(jié)器輸入電阻。 2、設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)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。3、設(shè)計(jì)要求：（1）運(yùn)用調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)ASR與ACR，達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到ASR與ACR的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)為典1系統(tǒng)，并取參數(shù)，

2、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)為典2系統(tǒng)；（2）用MATLAB對(duì)上述設(shè)計(jì)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，給出仿真結(jié)果；（3）設(shè)計(jì)出上述設(shè)計(jì)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的完整硬件實(shí)現(xiàn)原理圖，原理圖采用Protel軟件畫圖；（3）說明原理圖實(shí)現(xiàn)上述直流調(diào)速系統(tǒng)的原理；（4）給出原理圖每個(gè)元件的型號(hào)與值，并說明選值依據(jù)；（5）系統(tǒng)控制部分可以采用模擬電路或者微處理器實(shí)現(xiàn)。若采用微處理器實(shí)現(xiàn)，要說明軟件實(shí)現(xiàn)流程以及核心軟件的算法；（6）整個(gè)設(shè)計(jì)報(bào)告采用A4紙打印，標(biāo)題采用宋體四號(hào)，正文采用宋體小四；二：設(shè)計(jì)原理1.帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)，由于它能夠隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)的改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化，所以相對(duì)開環(huán)系統(tǒng)

3、它能夠有效的減少穩(wěn)態(tài)速降。當(dāng)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用帶比例放大器時(shí)，它依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的，因此是有靜差率的調(diào)速系統(tǒng)，而比例積分控制器可使系統(tǒng)在無(wú)靜差的情況下保持恒速，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的沖擊電流以及電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流，可以用附帶電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)，但這并不能控制電流的動(dòng)態(tài)波形。按反饋的控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該基本量基本不變，采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。另外，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)速。例如，在帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)中，同一調(diào)節(jié)器擔(dān)負(fù)著正常負(fù)載時(shí)的速度調(diào)節(jié)和

4、過載時(shí)的電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)無(wú)法保證兩種調(diào)節(jié)過程均具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。按照電機(jī)理想運(yùn)行特性，應(yīng)該在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速反饋，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性就在于當(dāng)負(fù)載電流小于最大電流時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用，當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)，電流負(fù)反饋起主要作用，得到電流的自動(dòng)保護(hù)。2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成：（1）系統(tǒng)電路原理圖圖2-1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為

5、外環(huán)。兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對(duì)就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。（2）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定。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)了延滯。為了平衡這一延滯作用，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)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰?lái)設(shè)計(jì)上的方便。由測(cè)速發(fā)

6、電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時(shí)間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)一般來(lái)說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動(dòng)機(jī)的過載能力，使電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)1。這種理想的起動(dòng)過程如圖2.3所示。為實(shí)現(xiàn)在約束條件快速起動(dòng)，關(guān)鍵是要有一個(gè)使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個(gè)量，只要引入這個(gè)量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上

7、升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。即為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。0nnt 圖2.3理想啟動(dòng)過程三：參數(shù)計(jì)算（一）電流環(huán)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)TS：查表可知三相橋式電路平均失控時(shí)間TS=0.0017s。 2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi：Toi=2ms=0.002s。 3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 Ti=TS+Toi=0.0037s。 4）電磁時(shí)間常數(shù)Tl：Tl=0.031s2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。（1）確定系統(tǒng)型式及其傳遞函數(shù)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，

8、并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。又電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的（電磁慣性和機(jī)械慣性），故可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（2）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：Tl/Ti0.031/0.0037=8.37。參照附表3-2的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。故基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)。（1）電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.031s。（2）電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時(shí)，應(yīng)取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。又電流反饋系數(shù)=Ui*/1.5IdN=10/(1.5×760)=0

9、.00877，則ACR的比例系數(shù)Ki=KIiR/KS=135.1×0.031×0.14/(75×0.0088)=0.88838。4.校驗(yàn)近似條件。（1）電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1。（2）校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 1/3TS=1/3×0.0017=196.1s-1>ci 滿足近似條件（3） 校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件： 3（1/TmTl）=3×（1/0.112×0.031）=50.915<ci 滿足近似條件（4） 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 1/3（1/TSToi）=1

10、/3×（1/0.0017×0.002）=180.8>ci 滿足近似條件5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容。電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-1所示。按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計(jì)算如下：Ri=KiR0=0.888×40k=35.53k。取35kCi=i/Ri=0.031/35=0.886F。取0.9FCoi=4Toi/R0=4×0.002/40k=0.2F。取0.2F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：i=4.3%<5% 滿足設(shè)計(jì)要求。圖3-1電流調(diào)節(jié)器原理圖（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(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)1/KI：已取

11、KITi=0.5，故1/KI=2×0.0037=0.0074s。（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton：Ton=0.02s。（3）轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)Tn：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.02=0.0274s。2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。（1）確定系統(tǒng)型式及其傳遞函數(shù)：按照設(shè)計(jì)要求，選用PI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)。按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則（1）ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：n=hTn=5×0.0274=0.137s。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：KN=（h+1）/2h2Tn2=6/2×52×0.02742159.8

12、s-1。又轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Un*/nN=10/375=0.0267V/rpm，則（3） ASR比例系數(shù)為： Kn=（h+1）CeTm/2hRTn=6×0.0088×1.82×0.112/(2×5×0.0267×0.14×0.0274)=10.5。4.校驗(yàn)近似條件。（1）轉(zhuǎn)速截止頻率：cn=KN/1=KNn=159.8/0.137=21.89s-1。（2）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：（1/3）（KI/Ti）=（1/3）（135.1/0.0037）=63.7s-1>cn 滿足簡(jiǎn)化條件。（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：（1/3

13、）/（KI/Ton）=（1/3）/（135.1/0.02）=27.4>cn。滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-2所示。取R0=40k。則Rn=KnR0=10.5×40k=420kCn=n/Rn=0.137/420000=0.326FCon=4Ton/R0=4×0.02/40=2F圖3-2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5時(shí)，得n=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載啟動(dòng)時(shí)z=0，當(dāng)h=5時(shí)，得C

14、max/Cb=81.2%，則n=2×81.2%×1.5×（760×0.14/1.82）/375）×（0.0274/0.112）=9.29%<10%。能滿足設(shè)計(jì)要求。四：protel軟件設(shè)計(jì)1.轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖4.1所示。 圖4.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖2.控

15、制電路設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖4.2所示。 圖4.2 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖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。本文基于這種思想進(jìn)行ASR和ACR設(shè)計(jì)。 圖4.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖4.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的硬件原理圖五：matlab仿真圖和仿真結(jié)果六：體會(huì)與總結(jié)這次期中考試別處心裁，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)我實(shí)際操作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，雙閉環(huán)直流調(diào)速已經(jīng)成為當(dāng)今電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速技術(shù)是十分重要的，尤其是對(duì)我們自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生。通過雙閉環(huán)電流轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我意識(shí)到只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的