wangd運(yùn)動(dòng)控制

1、西北民族大學(xué)前 言雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。由于直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本人就直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，從直流電機(jī)的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，再進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)設(shè)計(jì)方案的研究，用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，并用所學(xué)的MATLAB進(jìn)行仿真，分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法中由于忽略和簡化造成的誤差。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)需從動(dòng)態(tài)校正的需要來解決，設(shè)計(jì)每個(gè)調(diào)節(jié)器是，都必須先求該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)

2、對(duì)數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，盡量縮短啟、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而裝入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，需要設(shè)置兩個(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，即把轉(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)環(huán)在里面

3、，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器圖中，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)。1.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流、轉(zhuǎn)矩受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流

4、迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流、轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，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)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)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，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。所以選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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 P I 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

5、圖示于圖1-2。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc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1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE1.2 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的選擇：圖1-2表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖1-3所示的典型

6、形式，其中 圖1-2 小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖1-3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為第二章 整體電路分析2.1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)T。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)T。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T。（2）選擇電流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，并保證無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。

7、（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)（4）效驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率：K2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)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)。 2）轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)T。 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器。（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)（4）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率= 1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)（5）計(jì)算電阻電容 C（6）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量2.3 典型I型系統(tǒng)介紹典型I型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1其傳遞函數(shù)為其中，時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益K，也就是說K是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能

8、指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。 典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-1。典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-2表2-1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表2-2典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.4 典型型系統(tǒng)介紹典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖 2-3 典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖其傳遞函數(shù)為 在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式中。與典型 I 型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的。所

9、不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè):K和 ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。為了分析方便起見，引入一個(gè)新的變量 ，令 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-3 表2-3 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如圖2-4圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.6 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路下圖圖2-5 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí)，ASR不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。MATLAB仿真電流環(huán)不帶擾動(dòng)電流環(huán)帶擾動(dòng)轉(zhuǎn)速環(huán)無擾動(dòng)擾動(dòng)下頻域特性圖n

10、um=76.786;den=0.00667 1 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys) num=354.442*0.092 354.442;den=0.0184 1 0 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)總結(jié)對(duì)于給定直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在經(jīng)典控制理論工程計(jì)算的基礎(chǔ)上，在完成參數(shù)測(cè)定后，應(yīng)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了主電路、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，并應(yīng)用MATLAB語言中的SIMULINK工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，看到了理論設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果的差異，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，進(jìn)一步了解了工程設(shè)計(jì)方法中的近似環(huán)節(jié)給系統(tǒng)帶來的影響，認(rèn)識(shí)到了理論設(shè)計(jì)和工程計(jì)算的不同。仿真部分，運(yùn)用了MATLAB語言，掌握了語言的基本操作，并著重學(xué)習(xí)了SIMULINK工具箱。運(yùn)用SIMULINK工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，得到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及其它各種線性分析曲線。參考文獻(xiàn)1 阮毅,陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) M. 4版. 北京機(jī)械工業(yè)