直流雙環(huán)系統(tǒng)(一)的設(shè)計及仿真分析(一)

1、武漢理工大學(xué)運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計目錄摘要11. 直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計11.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成11.2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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)32.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)計算42.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計42.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計42.3 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計63. 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真83.1系統(tǒng)仿真圖的繪制83.2仿真結(jié)果圖93.3 仿真結(jié)果分析104.心得體會115.參考文獻(xiàn)12直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析摘要本次課程設(shè)計是對直流雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和仿真分析，為了實現(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

2、調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，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，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，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)。本文對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了理論分析，對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理進(jìn)行了一些簡要說明，闡述了其主電路、電流轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計以及一些參數(shù)的選擇和計算，使其滿足工程設(shè)計參數(shù)指標(biāo)。 最后利用MATLAB進(jìn)行仿真，讓電機滿載啟動到額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運行后電動機磁場減少一半，觀察并錄下電機的轉(zhuǎn)速、電流等的波形，并進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：直流雙環(huán)系統(tǒng)&

3、#160;  轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器  MATLAB1. 直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中,電流截止負(fù)反饋是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流dcrI值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。 在起動過程中，應(yīng)始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下

4、來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，采用電流負(fù)反饋就能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，本系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別用來調(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。兩者之間實行嵌套連接，如圖1-1所示。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

5、就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)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)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，兩個調(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Uim*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm，圖1-2中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和。換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸

6、出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時為零。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時，Id=Idm,若負(fù)載電流減小，IdL<Idm，使轉(zhuǎn)速上升，n>n0，n<0，ASR反向積分，從而使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和，又回到線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時，對應(yīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出Uim*，這時，電流調(diào)節(jié)器

7、起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，起到過電流的自動保護(hù)作用。這就是采用兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。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1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示：圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)計算2.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計整流裝置的滯后時間常數(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電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。（2）根據(jù)設(shè)計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)無誤差，因此選擇型電流調(diào)節(jié)

8、器，其傳遞函數(shù)為檢查對電源電壓的抗擾性能： ，參照典型型系統(tǒng)動態(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)動態(tài)性能各項指標(biāo)都是可以接受的。（3）計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時，由典型I型系統(tǒng)動態(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） 忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件2) 電流環(huán)小時間常數(shù)處理 滿足近似條件。（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容因為，所以各電阻和電容值為：參照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%5%，

9、滿足設(shè)計要求所以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為2.3 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等小時間常數(shù)。=2 =2×0.0055s=0.011S轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(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)計要求，選用調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）計算轉(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)檢驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足近似條件2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件為滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由于，所以各個電阻和電容值為：（6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時，由

10、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)計要求。實際上，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)計算的，而突加階躍給定時，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算超調(diào)量。由典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表查得當(dāng)時，所以 能滿足設(shè)計要求.所以，根據(jù)上述參數(shù)，速度環(huán)傳遞函數(shù)為：3. 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真3.1系統(tǒng)仿真圖的繪制按照直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)計算得出的各參數(shù)可繪制出直流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)分別如圖3-2,3-3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

11、仿真結(jié)果圖電機轉(zhuǎn)速n仿真波形：直流電動機負(fù)載電流Id仿真波形：3.3 仿真結(jié)果分析 從波形中也可以看出，在啟動中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和，飽和，退飽和三種情況，整個動態(tài)過程分為三個階段：電流上升階段、恒流升速階段、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。第一階段突加電壓，電樞電流迅速上升，速度調(diào)節(jié)器的輸入很快達(dá)到限幅值。第二階段，ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，保持電流恒定，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增加。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的給定電壓與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線形調(diào)節(jié)階

12、段，使速度恒定不變，實際仿真結(jié)果基本上符合理論分析。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是調(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)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；它對負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器的作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化；它對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 在穩(wěn)定運行后6秒鐘，將負(fù)載增大，負(fù)載電流突然增大，電樞電流Id小于Idl，電機減速。轉(zhuǎn)速反饋電壓Un減小而小于轉(zhuǎn)速

13、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，電機加速。由于電流調(diào)節(jié)器的及時調(diào)節(jié)作用，電機的轉(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。電機轉(zhuǎn)速增大到給定以上時，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)載電流擾動包含其中，從而有效抑制了負(fù)載電流變化對電機轉(zhuǎn)速的干擾作用。4.心得體會 本次課程設(shè)計要求結(jié)合給定的初始條件

14、來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計。在完成了理論的參數(shù)設(shè)計以后，在matlab軟件中進(jìn)行仿真運行，并且在調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運行后突加電流反饋斷線，再在仿真圖中查看運行結(jié)果，通過本次課程設(shè)計，我又復(fù)習(xí)了之前課本上講的按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。使我不僅體會到了過程的艱辛，也收獲了學(xué)習(xí)的快樂。 因為前不久才考完運動控制系統(tǒng)這門課，本以為學(xué)的應(yīng)該比較到位了，但是后來才發(fā)現(xiàn)課程設(shè)計和平時的理論學(xué)習(xí)不同。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決問題，并鍛煉實踐能力的過程，這也將為我們未來進(jìn)入社會工作打下了堅實的基礎(chǔ)。從這次設(shè)計過程中，我懂得了理論與實際結(jié)合的重要性，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。從課程設(shè)計中我也發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足