轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)MATLAB-Simulink

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)電氣工程及其自動化專業(yè)任務(wù)書1 .設(shè)計(jì)題目轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2 .設(shè)計(jì)任務(wù)某品閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路,基本數(shù)據(jù)為：直流電動機(jī)：Un=440V, In=365A, nN=950r/min, Ra=0.04,電樞電路總電阻R=0.0825,電樞電路總電感L=3.0mH,電流允許過載倍數(shù)=1.5,折算到電動機(jī)飛輪慣量GD2=20Nm2。品閘管整流裝置放大倍數(shù) Ks=40,滯后時間常數(shù)Ts電流反饋系數(shù)=0.274V/A (10V/1.5IN)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.0158V min/r (10V/nN)濾波時間常數(shù)取Toi=0.0

2、02s, TonII=15V;調(diào)節(jié)器輸入電阻 Ra=40k(1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo):無靜差(2)動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量5%;采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋使轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于0目錄任務(wù)書I.目錄II前言1第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理21.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹21.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成4III1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 61.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型91.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 91.4.2 起動過程分析12第二章調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)152.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則152.2 I型系統(tǒng)與II型系統(tǒng)的性能比較 162.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 182.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的

3、化簡和結(jié)構(gòu)的選擇 182.3.2 時間常數(shù)的計(jì)算202.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 202.3.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 212.3.5 校驗(yàn)近似條件 212.3.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 232.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)242.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡242.4.2 確定時間常數(shù)252.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)262.4.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)262.4.5 檢驗(yàn)近似條件27IV2.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容28第三章Simulink仿真293.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì)293.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)303.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) 32第四章設(shè)計(jì)心得34參考文獻(xiàn)35前言許多生產(chǎn)機(jī)械

4、要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好 的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有 良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電 力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用 非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道 反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾 動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可 以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高， 例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等

5、等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主 要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單 閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超 過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電 流的動態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利 用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大 值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立 即降下來，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。這時，啟動電流成方 波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能

6、得到的 最快的啟動過程。隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣 泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機(jī) 械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和 研究。本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由品閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電 路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用 的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們

7、知道反饋閉環(huán) 控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都 能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系 統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求 起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)?在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊， 并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和 轉(zhuǎn)速波形如圖1-a所示

8、。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減 小，因而加速過程必然拖長。OIdIdm(a)IdLIdL(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程(b)理想快速起動過程圖1調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形在實(shí)際工作中，我們希望在電機(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，最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大值， 使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降 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。這樣的理想起動過程波形 如圖1-b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最 大電流轉(zhuǎn)矩受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到

9、的最快的起動過程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就 能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它 和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就 能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)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

10、調(diào)節(jié)器， 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行審級連接，如圖 2所示，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)器的輸出去控制品閘管整流器的觸發(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)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR和ACR-般都采用PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時得到無靜 差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩 方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主， 采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2轉(zhuǎn)速、電

11、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電 流反饋電壓；ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測速發(fā)電機(jī)；TA- 電流互感器；UPE-電力電子變換器1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性Uin ASR U i。1。二工ACR Uct UPE Ud。+KsIdR-IdRE1/Ce圖3: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)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān) 鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和一一輸出到達(dá)限幅值； 不飽和一一輸出未到達(dá)限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不 再影響輸出

12、，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)太時總是為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會到達(dá)飽和狀態(tài)的。因此，對靜特 性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，Un 二 Un二n01-11-2Ui 一 Ui由式1-1可得：n= =n0* U im從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，Ui < 可知 d < Idm ,這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0 一直延續(xù)到1d = 1 dm。而1dm , 一股都是大于額定電流 "的。這

13、就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和*、， 一Um ，一 這時，ASR輸出到達(dá)限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài) 時：*imdm1-3其中，最大電流1dm取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合 于n n。的情況，因?yàn)槿绻鹡 n0,則U n U n , ASR將退出飽和狀態(tài)。圖4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要

14、形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中10W asr(S)和Wacr(S)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)。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流I d顯露出來。11U12圖5:雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1.4.2 起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 Ugn由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓Ugi、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓Uk、可控整流器輸出電壓Ud、電動機(jī)電樞電流1a和 轉(zhuǎn)速n的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖 28所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過

15、程就分成I、H、m三個階段。13圖6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形Un Ugn U fn第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓Ugn時，由于電動機(jī)的機(jī)電慣性較 大，電動機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動n=0，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn 0 ,這時, 很大，使ASR的輸出突增為Ugio , ACR的輸出為U ko ,可控整流器的輸出為U do ,使電樞電流1a迅速增加。當(dāng)增加到1a II負(fù)載電流時，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，以 后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快到達(dá)限幅值Ugim ,從而使電樞電流到達(dá)所對應(yīng)的最 大值1am在這過程中Uk，Ud的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的，到這時電流負(fù) 反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相

16、等的，即U gim U1 am1-3式中，一一電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值1am開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為 止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流 1a保持 恒定值Iam,即系統(tǒng)的加速度dn/dt為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n按線性規(guī)律上升，由 Ud IamR Cen知，U d也線性增加，這就要求Uk也要線性增加，故在啟動過程14中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階

17、段中起作用。 開始時轉(zhuǎn)速已 經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓Ugn與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn相平衡，輸入偏差Un等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 Ugim ,所以電動機(jī)仍在以 最大電流1am下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，Ufn 0, Un 0,使ASR退出飽和， 其輸出電壓也就是ACR的給定電壓Ugi才從限幅值降下來，Uk與Ud也隨之降 了下來，但是，由于1a仍大于負(fù)載電流IL,在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到1a II時，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定如果系統(tǒng)的動態(tài)品 質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于

18、主導(dǎo)地位，而 ACR的作用則力圖使1a盡 快地跟隨ASR輸出Ugi的變化。穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值ng ,電樞電流1a等于負(fù)載電流Il, ASR和ACR的 輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。 ASR的輸出 電壓為1-4U gi U fiIlACR的輸出電壓為UkCeng IlRKs1-515由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想 過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能 退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中

19、 表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點(diǎn)：1飽和非線形控制：隨著 ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同 的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的 方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。2轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn) 速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來 抑制超調(diào)。3準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最 優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，

20、就是 時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程I、R兩個階段中電流不能突變，實(shí)際起動過 程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小 的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(shí) 現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍 應(yīng)用。第二章調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)2.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流 反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：161。保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快到達(dá)穩(wěn)速狀態(tài)；2。保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；3。減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿

21、足系統(tǒng)的需要。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況，同樣給出簡明的計(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)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、 計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只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，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下 就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。2.2 I型系統(tǒng)與n型系統(tǒng)

22、的性能比較許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：17mK jS 1j inSrTjs 1i 1根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、I型、II型系統(tǒng)。自動控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的，而m型及m型以上的系 統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型、II型系 統(tǒng)，典型的I型、II型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為K.、W(s) 2-1s(Ts 1)W(s)K( s-2-2s2(Ts 1)一般說來典型I型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型n型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖耍谵D(zhuǎn)速 -電流 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個重

23、要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過 允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設(shè) 計(jì)為I型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無靜差是 最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計(jì)為R型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時間常數(shù)Ts和電流濾波時間常數(shù)Toi 一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可 將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié)，取 TEi=Ts+Toio這樣，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處 理后，電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)，同理，18經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式（2-1）。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成R型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)

24、節(jié)器也就設(shè)計(jì)成PI型調(diào)節(jié)器，如下式所示：2-3W(s) K ( S 1)s2.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡和結(jié)構(gòu)的選擇在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即 E =0。這時，電流環(huán)如圖7所示。1T5S+ 1圖7電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：ci 3J- Tm式中ci電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。19如果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U*i(s) / ,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。U*i(s) +圖8等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)最后，由于Ts和Toi一般都比Ti小得多，可以當(dāng)作小慣性群

25、而近似地看作 是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為E i =Ts +Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖8U*i(s)Uc(s)Ks/R(T|s+1)(T is+1)Id(s)ACR圖8 /囪2強(qiáng)勃節(jié)的近似處理202.3.2 時間常數(shù)的計(jì)算1、直流電機(jī)參數(shù)2、整流裝置滯后時間常數(shù) Ts=0.0017so3、電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002so4、電流環(huán)小時間常數(shù)之和R=Ts+Toi5、電樞回路電磁時間常數(shù)T L 0 0030. 0364R 0. 08256、電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)GD2R1292.7 * 0. 0825Tm 0. 1485m 375C0Cm30e m 375 * 0. 4478 * 0

26、. 4478 * 一2.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)要求電流無靜差，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)， 以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是 次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，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WAcf(s)Ki( is 1)is2-521式中 K 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：1二小絲9, 84 ,參照典型I型系統(tǒng)動T i 0. 0037態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項(xiàng)

27、指標(biāo)都是可以接受的。2.3.4 計(jì)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)：i=Ti=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求 a<5%寸，應(yīng)取KTei=0.5,因此Ki0.50.5T i 0.0037135.1s于是，ACR勺比例系數(shù)為:Ki iR0. 3702135.1 0.0364 0 082540 0. 02742.3.5 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=K-1;晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:22113TT30. 0017s196.1s滿足近似條件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313.140. 804'1涓 Q 1485 0.0364電流環(huán)小時間常數(shù)近

28、似處理?xiàng)l件：3 TsToi0. 0017 0. 02180. 8滿足近似條件232.3.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容=11圖9 PI型電路調(diào)節(jié)器的組成按所用運(yùn)算放大器取 R=40k ,各電阻和電容值為:取15kRiKi Ro0. 3702 40k 14.82kRTF 2.4 F取2. 4 FCoi4ToiR04 0.0023F 40 1030.2 F取0.2 F242.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，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U*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為1I d(s)Wii(s) 一U；(s)1-1s1Ki用

29、電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后,整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖10所示和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n( s)/ ,再把時間常數(shù)為1/ K和Ton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IdL (s)U*n(sTn KKic- +CeTmsT0ns+ 125圖10用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖11圖11等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖2.4.2確定時間常數(shù) 1、電流環(huán)等效時間常數(shù)1/Ki。由電流環(huán)參數(shù)可知 KEi=0.5,則0.0037 0.0074s2、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)T

30、on。根據(jù)已知條件可知Ton3、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)TE no按小時間常數(shù)近似處理，取261T n Ton 0.0074 0.01 0.0174sKi2.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點(diǎn)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(jì)成典型n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。由此可見，ASR&應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(s)Kn( nS 1)式中Kn -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)2.4.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參

31、數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為:n hT n 5 0.0174 0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為:27K h 1K n2-y2h T nASR的比例系數(shù)為:2 520.01742396.4s 2(h 1) CJm2h RT n60. 2740.44780. 1485 仙 c 48. 225 0. 01580. 08250. 01742.4.5 檢驗(yàn)近似條件Km轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為cnN Kn n 396.4 0.087 34.5s11）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為63.7s滿足近似條件1 Ki1135.13T i3 ' 0.00372）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理

32、條件為1 135.13、0.0138.7s滿足近似條件282.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖12 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的組成取 R0=40k ,則RnKnRo48.2 40k1928k取 1928k ；Cn0.087 3 F 0.0451 F 取0.045 F;Rn1928 1034 0.0140 10329當(dāng)h=5時，查詢典型R型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的表格可以看出37.6% ,不能滿足設(shè)計(jì)要求,需要添加微分負(fù)反饋:4h24 5 2dnT 口 0.01740. 0638sh 1 n 5 1Cdnq0.06383 F 1.6 F取 1.6 FR040 10RdnTonCdn0. 011.6 F6. 25k取 6. 25kAfV*弟二早Simulink 仿真3.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì)校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過化簡和相關(guān)計(jì)算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下列圖：圖13電流環(huán)的仿真模型30圖14電流環(huán)的仿真結(jié)果3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過化簡和相關(guān)計(jì)算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下列圖：圖15轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型31圖16轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真結(jié)果323.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)匚n竟=F”*=3隼一:u*JnRE*233圖18雙閉環(huán)