直流雙環(huán)系統(tǒng)(三)的設(shè)計(jì)及仿真分析(五)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 工作單位：工作單位： 題題 目目: : 直流雙環(huán)系統(tǒng)（三）的設(shè)計(jì)及仿真分析（五）直流雙環(huán)系統(tǒng)（三）的設(shè)計(jì)及仿真分析（五） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相橋式全控整流電路。系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)： Unom=220V ，Inom=136A ，nnom=1460r/min ，允許過載倍數(shù)，額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓調(diào)節(jié)0.132min/eCVr1.5*10 ,nUV器，飽和輸出電壓。時(shí)間常數(shù)：TL=0.03s，Tm=0.18s，晶閘管*10imUV裝置放大倍數(shù)：KS=40，電樞回路總電阻：R=0.5。

2、要求完成的主要任務(wù)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）試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量；5%i空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，過渡過程時(shí)間。畫出系統(tǒng)20%n0.1sts結(jié)構(gòu)框圖并計(jì)算：(1) 電流反饋系數(shù) 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（?。?；040Rk(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（?。?；040Rk(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)磁場(chǎng)減少一半，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：時(shí)間安排：2014.6.21 布置課程設(shè)計(jì)題目

3、 2014.6.22 - 6.27 完成課程設(shè)計(jì) 2014.628 - 7.1 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2014.7.2 答辯并上交報(bào)告指導(dǎo)教師簽名：指導(dǎo)教師簽名： 年年 月月 日日系主任（或責(zé)任教師）簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年年 月月 日日武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)0摘 要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)和電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，二者都可以在一定程度上克服開環(huán)系統(tǒng)造成的電動(dòng)機(jī)靜差率，但是不夠理想。實(shí)際設(shè)計(jì)中常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)

4、控制系統(tǒng)，一般使電流環(huán)(ACR)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。本文是按照工程設(shè)計(jì)的方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的。使電動(dòng)機(jī)滿足所要求的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速環(huán)以抗擾性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)為主。 本文簡單介紹了一下雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，且在本課設(shè)要求下進(jìn)行了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的理論計(jì)算與設(shè)計(jì)。在理論計(jì)算的前提下用MATLAB 進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，且簡單分析了該系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速后電機(jī)磁場(chǎng)減半情況下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 擾動(dòng) MAT

5、LAB武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1目 錄摘摘 要要1 1目目 錄錄2 21 1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3 31.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成31.2 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)41.3 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)42 2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)62.1 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用62.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法62.3 設(shè)計(jì)的基本思路72.3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理72.3.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理82.4 系統(tǒng)初始條件102.5 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)102.5.1 電流反饋系數(shù) 的計(jì)算及時(shí)間常數(shù)的確定102.5.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇112

6、.5.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算112.5.4 校驗(yàn)近似條件112.5.5 電流調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)122.5.6 調(diào)節(jié)器電阻和電容的計(jì)算122.6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)132.6.1 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算及時(shí)間常數(shù)的確定132.6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇132.6.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算132.6.4 校驗(yàn)近似條件132.6.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)142.6.6 調(diào)節(jié)器電阻和電容的計(jì)算142.6.7 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量142.6.8 按 ASR 退飽和重新計(jì)算超調(diào)量153 3 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真153.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖153.2 系統(tǒng)仿真圖的設(shè)計(jì)163.3 系統(tǒng)仿真波形圖163.4 結(jié)果分析1

7、73.4.1 空載啟動(dòng)過程分析173.4.2 磁場(chǎng)減半后調(diào)節(jié)過程分析18心得體會(huì)心得體會(huì)19參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)20武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)2直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(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。兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓*imU限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。cmUdmU由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的

8、環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 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，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖 1-1 所示：圖 1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(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)武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)3器,這樣構(gòu)成了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。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)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖 1-2 所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的 PI 調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓決定了電流給定的

9、最*imU大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出cmU電壓。圖中用帶限幅的輸出性表示 PI 調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸dmU出達(dá)到限值，輸入量不再變化。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和的時(shí)候，PI 調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是是輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。U圖 1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這dmI時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋主要起調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為dmI飽和輸出，這是，電流調(diào)節(jié)器器主要調(diào)節(jié)作用。這就是采用兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器imU分別形成的自動(dòng)保護(hù)作用。1.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

10、的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 1-3 所示，圖中和 ASRWS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)。為了引出負(fù)電流反饋， ACRWS在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把點(diǎn)數(shù)電流顯露出來。dI帶載啟動(dòng)過程如圖 1-4 所示，在他的啟動(dòng)過程有三個(gè)階段，分別是電流上升階段，恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。通過這三個(gè)階段可以看出啟動(dòng)過程有武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)4三個(gè)特點(diǎn)，飽和非線性，轉(zhuǎn)速超調(diào)和準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。一般說來，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，另一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能，主要是康復(fù)在擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。圖 1-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖

11、1-4 閉流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)52.1 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 （1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。 *nU（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 (1)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 *iU(2)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 (3)在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電

12、機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。 (4)當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。2.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法必要性: 設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求。 可能性: 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可由低階系統(tǒng)近似，事先研究低階典型系統(tǒng)的特性，將實(shí)際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計(jì)算公式簡明、好記； （3）不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向 ；（4）能考慮飽和非線性控制的情

13、況，同樣給出簡單的計(jì)算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。2.3 設(shè)計(jì)的基本思路武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)6調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。 第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。 用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器，先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖

14、 1-3，不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。2.3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理電流環(huán)的控制對(duì)象是兩個(gè)時(shí)間常數(shù)大小相差較大的雙慣性型的控制對(duì)象，如果采用 PI 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成（2-1） ssKsWiiiACR1式中iK 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。電流環(huán)的傳遞函數(shù)為（2-2）(1)/( )(1)(1)iisopiiliKsKRWssTsT s因?yàn)?TiTi，選擇 i= Ti ，用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消去控制對(duì)象中大的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，以便校正成典型型系統(tǒng)，因此（2-3）/( )(1)(1)isIopiiiiKKRKWss T ss

15、 T s式中，電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-1 所示。isisIilK KK KKRT R武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)7圖 2-1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在一般情況下，希望電流超調(diào)量 i 5%，由表 2，可選 =0.707，KITi =0.5，則（2-4）12IciiKT表 2-1 典型型系統(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)系參數(shù)關(guān)系 KT0.250.390.50.691.0阻尼比 1.00.80.7070.60.5超調(diào)量 0 %1.5%4.3 %9.5 %16.3%上升時(shí)間 tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間 tp8.3T6.2T4.7T3.2T相角穩(wěn)定裕度 7669.96559

16、.251.8截止頻率 c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T再依據(jù)得到：isisIilK KK KKRT R()22llisisiT RTRKKTKT2.3.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)，將結(jié)構(gòu)圖簡化圖 2-2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)8把時(shí)間常數(shù)為 1 / KI 和 Ton 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并得（2-5）1nonITTK轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象是由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成，IdL(s)是負(fù)載擾動(dòng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無靜差的必要條件是：在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)之前必須含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)。因此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，按典型型系統(tǒng)

17、設(shè)計(jì)。ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（2-6）(1)( )nnASRnKsWss式中Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（2-7）2(1)(1)( )(1)(1)nnnnnnemnnemnRKsKRsW ssC T s T sC T s T s 令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為NK（2-8）nNnemKRKC T 則 （2-2(1)( )(1)NnnnKsW ss T s9）圖 2-3 校正后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-3 所示武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)9表 2-2 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h3

18、456789102.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr / T2.42.652.853.03.13.23.33.35ts / T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系（2-10）nnhT以及（2-11）2212NnhKh T得（2-12）(1)2emnnhC TKh RT2.4 系統(tǒng)初始條件雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相橋式全控整流電路。系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：Unom=220V ，Inom=136A ，nnom=1460r/min ，允許過載倍數(shù)，額定轉(zhuǎn)速時(shí)

19、的給定電壓調(diào)0.132min/eCVr1.5*10 ,nUV節(jié)器，飽和輸出電壓。時(shí)間常數(shù)：*10imUVTL=0.03s，Tm=0.18s，晶閘管裝置放大倍數(shù)：KS=40，電樞回路總電阻：R=0.5。2.5 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.5.1 電流反饋系數(shù) 的計(jì)算及時(shí)間常數(shù)的確定武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)10（1）電流反饋系數(shù) （2）確定時(shí)間常數(shù)1）三相橋式電路的平均失控時(shí)間為。0.0017sTs2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)濾頭的時(shí)間是 3.3ms，為了基oiT本濾平波頭，取。0.002oiTs3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。0.0037isoiTTTs2.5.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)

20、計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路5%i調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：(1)( )iiACRiKsWss檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)0.038.110.0037lsTs抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。2.5.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。0.03ilTs電流環(huán)開環(huán)增益：要求，應(yīng)取，因此%5%0.5IiK T于是，ACR 的比例系數(shù)為 135.1 0.03 0.51.03440 0.049IiisKRKK2.5.4 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：1135.1c

21、iIKs（1）晶閘管整流裝置作傳遞函數(shù)的近似條件 111196.133 0.0017cissT滿足近似條件。（2）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10.5135.1IiKsT100.0491.5 136imdmUi武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)11 1113340.820.18 0.13cimlsT T 滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 11111180.8330.00170.002cisoisTTss滿足近似條件。2.5.5 電流調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)含給定濾波和反饋濾波的模式 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖 2-4 所示。根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以導(dǎo)出 iioRKRiii

22、RC0.25oiooiTR C 圖 2-4 PI 型電流調(diào)節(jié)器 2.5.6 調(diào)節(jié)器電阻和電容的計(jì)算由圖 2-4，按所用運(yùn)算放大器去，各電阻和電容為40oRK ，取1.034 4040.25iioRK RKK 40K ， 取 0.750.030.7540000iiiCuFRuF ，取 44 0.0020.240000oioioTCFuFR0.2uF按照上述參數(shù)計(jì)算，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，%4.3%5%武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)12滿足設(shè)計(jì)要求。2.6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.6.1 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算及時(shí)間常數(shù)的確定（1）電壓反饋系數(shù) 100.006851460maxUnmI（2

23、）確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。又，故1/IK0.5IiK T 1/IK22 0.00370.0074iTss2）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，取。onT0.01onTs3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取nT1/0.00740.010.0174nIonTKTsss2.6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇按照設(shè)計(jì)要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為nnnnn2nemnnemn(1)(1)( )(1)(1)RKsKRsW ssC T s TsC T s Ts 2.6.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算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5h 5 0.01

24、740.087nnhTss 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 22N2222n15 1396.422 50.0174hKssh TASR 的比例系數(shù)為 11.72nK 2.6.4 校驗(yàn)近似條件武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)13轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：111396.4 0.08734.5NcnNnKKss（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1111135.163.7330.0037IcniKssT滿足簡化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為1111135.138.7330.01IcnonKssT滿足簡化條件。2.6.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)含給定濾波和反饋濾波的模式 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 2-5 所示。根據(jù)運(yùn)算放大

25、器的電路原理，可以導(dǎo)出 nnoRKR nnnR C 0.25onoonTR C圖 2-5 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.6.6 調(diào)節(jié)器電阻和電容的計(jì)算取，則040Rk，取011.72 40468.8nnRK Rkk 470k，取0.0870.185470000nnnCFuFR0.2uF，取3044 0.01140 10ononTCFuFR1uF武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)142.6.7 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)按 ASR 退飽和的情況重新5h 37.6%n計(jì)算超調(diào)量。2.6.8 按 ASR 退飽和重新計(jì)算超調(diào)量過載倍數(shù) 1.5空載啟動(dòng) 0z max*136 0.50.01740.1

26、322()()2 81.2% 1.58.31%20%14600.18NnnbmCn TzCnT能滿足設(shè)計(jì)要求。3 系統(tǒng)仿真3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在單閉環(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)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即可會(huì)出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 3-1 所示。 圖3-1 雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖中和分別別是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。本系( )ASRws( )ACRws統(tǒng)采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有(1)( )iiACRiKsWs

27、s武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)15 3.2 系統(tǒng)仿真圖的設(shè)計(jì)根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，加入本系統(tǒng)初始條件及其計(jì)算結(jié)果，即可用 MATLAB 繪出雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 3-2 所示：圖 3-2 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖3.3 系統(tǒng)仿真波形圖用 MATLAB 進(jìn)行仿真，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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)磁場(chǎng)減少一半電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流的波形如下圖：(1)( )nnASRnKsWss武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)16圖 3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速后磁場(chǎng)減少一半轉(zhuǎn)速電流波形3.4 結(jié)果分析3.4.1 空載啟動(dòng)過程分析從仿真圖中我們可以看出，在空載啟動(dòng)過

28、程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷快速進(jìn)入飽和，飽和和退飽和三種情況，整個(gè)過程分為三個(gè)階段。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，被控對(duì)象是轉(zhuǎn)速。它的跟隨性能可以用階躍給定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述，能否實(shí)現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時(shí)間最優(yōu)的形式達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要的追求目標(biāo)。在空載條件下轉(zhuǎn)速變化的過程與電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)，對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的分析離不開對(duì)的研究。從電流零增長到，然后在一段時(shí)間內(nèi)( )nf t( )dItdmI維持不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)解后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值=0。轉(zhuǎn)速波形顯示緩慢升速，dlI然后到達(dá)給定值。從電流與轉(zhuǎn)速變化過程所反映出來的特點(diǎn)可以把啟動(dòng)過程*n分為電流上升，恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段，轉(zhuǎn)速調(diào)

29、節(jié)器再次經(jīng)歷快速進(jìn)入飽和，飽和和退飽和三種情況。我的仿真要求為空載啟動(dòng)，相當(dāng)于=0。dlI第階段，突加給定電壓，電流上升。由于=0，所以轉(zhuǎn)速從 0 開始dIdlI上升,此階段轉(zhuǎn)速 n 較小，轉(zhuǎn)速反饋電壓 Un 較小，因而轉(zhuǎn)速偏差電壓很大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 進(jìn)入飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅值。此階段電流*imU調(diào)節(jié)器試圖按照電流設(shè)定值將電樞電流調(diào)節(jié)到電流最大值，所以電流*iUdIdmI武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)17迅速上升，而轉(zhuǎn)速的增加較小。ACR 在這一階段不飽和。第階段，恒流升速階段。此階段由于轉(zhuǎn)速小于給定值，大于，誤*nUnU差 Un 始終大于零，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直處于飽和狀

30、態(tài)，其輸出一直保持。*imU電流調(diào)節(jié)器給定一直為，因此在電流環(huán)定值控制作用下，電樞電流被調(diào)節(jié)*imU到，并基本保持不變，因而加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，是啟動(dòng)過程的主dmI要階段，保持，電磁轉(zhuǎn)矩保持最大值，電機(jī)恒加速度升速。dIdmI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。在減小到空載電流=0之前，電磁轉(zhuǎn)矩大于空載轉(zhuǎn)矩，電dIdlI機(jī)加速過程變慢，但仍然處在升速過程。減小到=0時(shí)，轉(zhuǎn)速到達(dá)第一次峰dIdlI值，隨后，減小

31、到=0以下，因而電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩小于空載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速減小。dIdlI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。3.4.2 磁場(chǎng)減半后調(diào)節(jié)過程分析從圖 3-3 中可以看出，在穩(wěn)定運(yùn)行后，突然使電機(jī)的磁場(chǎng)減少一半，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了一個(gè)很大的階躍迅速上升到約 2900r/min,這是由于減小了一半，

32、所以eC額定速降會(huì)增大使轉(zhuǎn)速上升為原來的 2 倍，通過轉(zhuǎn)速環(huán)反饋電壓-就會(huì)增大，nU使電流下降，但是在電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的積分調(diào)節(jié)下轉(zhuǎn)速很快又穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定電流，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。電機(jī)磁場(chǎng)突然減半后，擴(kuò)大四倍，縮小一倍，同時(shí)負(fù)載電流擴(kuò)大一倍，mTeC課程設(shè)計(jì)要求空載啟動(dòng)，即負(fù)載電流為 0，所以只需在數(shù)學(xué)仿真模型中改變和。由圖 3-3 可以看出，0.6 秒后空載啟動(dòng)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，在 0.7s 時(shí)通mTeC過階躍信號(hào)和乘法器改變和模擬磁場(chǎng)減半，仿真得到調(diào)節(jié)過程的波形。mTeC武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)18 心得體會(huì) 通過對(duì)直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速有了更深入的了解。在課程設(shè)計(jì)中需要對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR，電流調(diào)節(jié)器 ACR 進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們使用工程設(shè)計(jì)方法對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(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)，確定各調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，并最終用模擬電路及數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器。在設(shè)計(jì)過程中所使用的工程近似處理方法也是至關(guān)重要的，通過處理，控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型大大簡化，從而方便了后續(xù)設(shè)計(jì)的進(jìn)行。這個(gè)過程中絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)都是參照教材來完成的，從雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析還有最后的參數(shù)給定都是通過參考所學(xué)教材來完成的，通過教材的例題學(xué)會(huì)了計(jì)算參數(shù)的方法，通過教材的 MA