雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 電機控制技術(shù)課程設(shè)計（論文）題目： 5kw電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 院（系）： 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 起止時間：2014.12.1-2014.12.19 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）： 教研室：學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論 文）題 目電機控制技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)1、設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及計算參數(shù)。2、使用Matlab/Simulink軟件完成直流電機及控制系統(tǒng)的計算機建模，并進行仿真，調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)。3、設(shè)計使用微處理器對系統(tǒng)進行數(shù)字化控制的軟件流程及調(diào)節(jié)器的數(shù)字化實現(xiàn)。指導(dǎo)教師評

2、語及成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目錄一、摘要 1二、設(shè)計思想 21. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 22. 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計思想 23. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計思想 5三、設(shè)計步驟91. 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計92. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計 123. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)量計算 13四、總結(jié)心得14五、參考文獻 15六、附件16 1系統(tǒng)仿真模型 2仿真輸出波形曲線圖 3Protel電路原理圖摘要轉(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)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，其分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)接

3、。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)在外面，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)。為了獲得良好的靜動態(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。電流環(huán)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)設(shè)計成典型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。隨后根據(jù)給定的要求，對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行確定。然后使用Matlab/Simulink軟件完成直流電機及控制系統(tǒng)的計算機建模，并進行仿真，調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)。二、設(shè)計思想本文是根據(jù)工程設(shè)計

4、方法來對 ASR 和 ACR 的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行設(shè)計的。按照設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。根據(jù)工程設(shè)計方法的基本思路我們知道首先應(yīng)該選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。因為電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，要求電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，從動態(tài)上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用下時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。因而電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主。所以本文采用典型型系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)速環(huán)，由于轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，主要要求系統(tǒng)抗干擾性能好和轉(zhuǎn)速無靜差，所以將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計

5、成典型系統(tǒng)。1. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上圖 1-1是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使得二者在時間上恰好的配合。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間

6、常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。2. 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計思想電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖 1-1點劃線框的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即，這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖 1-2。圖1-2 忽略反電動勢的動態(tài)影響如果

7、把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖1-3。 圖1-3 等效成單位負反饋系統(tǒng)由于和比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為： 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成下圖1-4。圖1-4 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 圖1-4表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) -電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖1-5 所以的典型形式，其中 圖1-5 校正

8、成典型型系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖下圖1-6繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性.圖1-6 校正成典型型系統(tǒng)電流環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性校驗 是否滿足條件 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算由式可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是 和，其中已選定，待定的只有比例系數(shù)，它可根據(jù)所需的動態(tài)性能指標選取。計算電流環(huán)開環(huán)增益： 計算電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標不同，式 和可以做相應(yīng)的改變，然后再次校驗抗擾性能的指標是否滿足。計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖1-7，圖中為電流給定電壓，為電流反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)運算放大器的電路原理計

9、算 是否滿足要求。圖1-7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計思想電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)化簡后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)，由圖1-5可知： 忽略高此項，可降階近似為： 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為： 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖1-1中的電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-8所示。圖1-8 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反

10、饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡成圖1-9。圖1-9 等效成單位負反饋和小慣性的近似處理為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。由此可見也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

11、的比例系數(shù) -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù) 圖1-10 校正后成為典型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： 則 至于中頻寬為多少，要看動態(tài)性能的要求決定。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計算轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： 的比例系數(shù)為： 校驗轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為： 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖1-11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)圖1-11，計算 是否滿足要求最后對轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量進行校核。 下面根據(jù)第二步的思想進行具體的步驟設(shè)計。三、設(shè)計步驟：額定轉(zhuǎn)速，額定電壓,額定電流，機電時間常數(shù)，計算電動機電動勢系數(shù) ，電流允許過載倍數(shù)，電力電子轉(zhuǎn)換裝置放大系數(shù) 滯后時間電樞回路電阻：R=400 電磁時

12、間常數(shù) 電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 電流反饋濾波時間常數(shù)總飛輪力矩 、下面對電流調(diào)節(jié)器進行設(shè)計1、確定時間常數(shù) 整流裝置滯后時間常數(shù) 。三相橋式電路的平均失控時間為。 電流濾波時間常數(shù) 。由條件可知 電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取=2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為檢查對電流電壓的抗擾性能：表2-1典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系參照表2-1典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。3、計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：參數(shù)關(guān)

13、系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070605超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.64.73.32.4峰值時間8.36.24.73.6相角穩(wěn)定裕度截止頻率表2-2典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系電流開環(huán)增益：要求時，根據(jù)，按表2-2應(yīng)取因此 于是，ACR的比例系數(shù)為4、校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1 閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。2 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件。3 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件。5、計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器的電路圖可知計算

14、各電阻和電容值，其中 取 取 取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標（見表2-2），滿足設(shè)計要求。下面對轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)器進行設(shè)計1、確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù):有前面的計算可 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) ：根據(jù)測速發(fā)電機的紋波可知可知。轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù) ：按小時間常數(shù)近似處理，取2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)表達式為3、計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取 ,則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益ASR的比例系數(shù) 4、檢驗近似條件由公式 可得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。2 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足簡化條件5、

15、計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)左圖，有 取 取0.3 取16、校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111表2-3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標當(dāng) 時，由上表2-3查得，不能滿足設(shè)計 的要求。實際上，由于上表是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量。、下面對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算設(shè)理想空載啟動時 ，已知數(shù)

16、據(jù)有，R=0.5 ，A，34567891072.2%775%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85表2-4典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗干擾性能指標與參數(shù)關(guān)系當(dāng)h=5由表2-4查得 ， 帶入 可得 可以滿足設(shè)計要求。四、總結(jié)心得這次課程設(shè)計讓我對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)又有了進一步的熟悉。之前的一個讀書工程我選擇的也是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容，但在讀書工程上只是分析和了解了轉(zhuǎn)速超調(diào)及退飽和問題，至于具體怎么設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)參數(shù)還不特別清楚，剛好此次課

17、程設(shè)計又彌補了這一點。通過課程設(shè)計讓我真的的感覺到用課本上介紹的工程整定方法確實很方便，使我在設(shè)計上不需要反復(fù)試湊，減少了一些麻煩，只需要結(jié)合給定的參數(shù)，或?qū)?shù)做較少的調(diào)整就可以。通過親自的設(shè)計使我明確了設(shè)計的目標和具體步驟，在開始的時候我也不確定電流環(huán)是選擇型系統(tǒng)還是選擇型系統(tǒng)，但是根據(jù)課本的例題及理論知識：電流環(huán)主要是要有很好的跟隨性能，而型系統(tǒng)剛好可以滿足，型系統(tǒng)有較好的抗擾性能、快速性又很好，所以轉(zhuǎn)速環(huán)就選擇型了。通過對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計我發(fā)現(xiàn)在設(shè)計時兩者都是大致遵循：結(jié)構(gòu)框圖化簡、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇、調(diào)節(jié)器參數(shù)計算、調(diào)節(jié)器實現(xiàn)、近似條件的檢驗等步驟，所以再設(shè)計時有很多相同點。在沒有設(shè)計前對雙閉環(huán)的一些參數(shù)和表示符號總是混淆，但是通過親自設(shè)計、通過自己反復(fù)演算，清晰的了解各個參數(shù)的關(guān)系及來龍去脈和它們的對應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)在已經(jīng)基本上不會記錯了。這次課程設(shè)計使我提高了檢索信息，查閱知識的能力，達到了熟悉課本的目的。五、參考文獻參考文獻1陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社,2003