雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、4州石孥角課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程課程設(shè)計(jì)課題雙閉環(huán)限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)目錄第1章雙閉環(huán)系統(tǒng)分析1.1.1 系統(tǒng)介紹1.1.2 系統(tǒng)原理1.1.3 雙閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)1.第2章系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 2.2.1.1 時(shí)間參數(shù)選擇2.2.1.2 計(jì)算電流調(diào)節(jié)參數(shù) 2.2.1.3 校驗(yàn)近似條件 .3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).3.2.2.1 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：3.2.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為5.2.2.3 計(jì)算限制器的電阻電容值 5.第3章仿真模塊6.3.1 電流環(huán)模塊6.3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)模塊6.第4章仿真結(jié)果7.4.1 電流環(huán)仿真結(jié)果 7.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果 7.4.4 穩(wěn)定性

2、指標(biāo)的分析 8.4.4.1 電流環(huán)的穩(wěn)定性.8.4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性.8.結(jié)論9.參考文獻(xiàn)10.第1章雙閉環(huán)系統(tǒng)分析1.1 系統(tǒng)介紹整流電路可從很多角度進(jìn)行分類, 主要分類方法是：按組成的器件可分為不可控,半控和 全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分可分為單相、雙相、三相和多相電路；按限制方法又可分為相控整流和斬波 限制整流電路.本系統(tǒng)采用的是三相全控橋式晶閘管相控整流電路.這是由于電機(jī)容量相對(duì) 較大,并且要求直流脈動(dòng)小、容易濾波.其交流側(cè)由三相電網(wǎng)直接供電,直流側(cè)輸出脈動(dòng)很小的直流電.在分析時(shí)把直流電機(jī)當(dāng)成阻感性加反電勢(shì)負(fù)載.由于電機(jī)電流連續(xù)所以分析方法與阻感

3、性負(fù)載相同,各參量計(jì)算公式亦相同.1.2 系統(tǒng)原理ASR速度調(diào)節(jié)器根據(jù)速度指令Un*和速度反應(yīng)Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié),具輸出是電流指 令的給定信號(hào)Ui* 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說,限制電樞電流就是限制電磁轉(zhuǎn)矩,相應(yīng)的可以調(diào) 速.ACR電流調(diào)節(jié)器根據(jù)Ui*和電流反應(yīng)Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié),其輸出是 UPE功率變換器 件的的限制信號(hào)Uco進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出,即電機(jī)的電樞電壓,由于轉(zhuǎn)速不能突變,電 樞電壓改變后,電樞電流跟著發(fā)生變化,相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化,由 Te-TL=Jdn/dt只 要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)的變化.整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩到達(dá)平衡, 轉(zhuǎn)速不變后,到達(dá)穩(wěn)定.1.3 雙閉環(huán)

4、的優(yōu)點(diǎn)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)限制系統(tǒng),每一環(huán)都有調(diào)節(jié)器,構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng).工程設(shè)計(jì)方法遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原那么.步驟為：先設(shè)計(jì)電流環(huán)內(nèi)環(huán),對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理,然后依照電流環(huán)的限制要求確定把它校正成哪一種典型系統(tǒng),再根據(jù)限制對(duì)象確定其調(diào)節(jié)器的類型,最后根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求來確定其調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù).電流環(huán)設(shè)計(jì)完成以后,把電流環(huán)看成轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié),再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán).在電流檢測(cè)信號(hào)中常有交流分量,為了不讓它影響調(diào)節(jié)器的輸入,參加了低通濾波器, 然而濾波環(huán)節(jié)可以使反應(yīng)信號(hào)延遲,為了消除此延遲在給定位置加一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性 環(huán)節(jié).同理,由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓常

5、含有換向紋波,因此也在給定和反應(yīng)環(huán)節(jié) 參加濾波環(huán)節(jié).第2章系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)額定電流額定電阻尸川 3000* =%=市=1&754,160"5 =下=3000 =氏530(2-1)(2-2)設(shè)置品閘管放大系數(shù)人如2.1.1時(shí)間參數(shù)選擇整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) 4,利用三相橋式電路的平均限制時(shí)間r =o.ooi75(2-3)電流濾波時(shí)間常數(shù)Tot = 0.002s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)和% = % + % = 000375(2-4)(2-5)2.1.2計(jì)算電流調(diào)節(jié)參數(shù)m T1/T2 T/T21/51/101/201/30Cmax/Cb*100%27.8%16.6%9.3

6、%6.5%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4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)關(guān)系電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間產(chǎn)數(shù)L 20 X 10"17=無= 0.785 = 3s電流開環(huán)增益：(2-6)機(jī)電時(shí)間常數(shù)值5 0,5% = %= 00037= 135.15%乜叫 lbU-24X07H5q ="=1590* 0,°88歹, min/rP = L5 = L5x 1B.75 =.占 口？ V/A(2-7)(2-8)(2-9)0.072 x 0.785 x 1000(jilJ K1 ;n = 375CC- 7Sx rt OBBTx- _Q

7、o >jh=止 =2S(2-10)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)外=Tj = 0.03a,(2-11)電流調(diào)節(jié)器比例參數(shù)*尸5135AX 9,03x0785R = "=X °149(2-12)2.1.3校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率(2-13)電力電子變換器純滯后的近似處理3儀 < 比=3 xfl.00175 I= 196,15不考慮反電動(dòng)勢(shì)的變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響(2-14)1-1RR3jKX=3jE爵；“1226s(2-15)電流環(huán)小慣性群的近似處理o.n.nTtLO?5 花 180.8s.(2-16)需要求的只Ki,%5電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算得,電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Ki和

8、品,而已經(jīng)選定,可依照所要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選取.一般情況下,希望電流超調(diào)量為62.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.2.1 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):放大倍數(shù):10 1oor =r=弓加=0.006vp' min/r：=2Tg=2 x 0,0037 = 0.0074s(2-17)(2-18)表2-2典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20K32211111轉(zhuǎn)速

9、濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)“.用1$查表2-2得h=5慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)% = 3 + % = 00074 + 0,001 = 0.01745rn = h ' T氏=5 x 0.00174 = 040875轉(zhuǎn)速開環(huán)增益5+12 x 52 k 口 0074=21915ASR比例系數(shù)(h+1)陽丁胸x 0.533 x 0,086& x 2長髀= 四MT. =2 x 5 x 0,7S5 X U006 x U017+ = 663.2(2-19)(2-20)(2-21)(2-22)例2-22按上述參數(shù)設(shè)計(jì)超調(diào)量口 = 2% < 5%滿足設(shè)計(jì)要求2.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為彖 =1

10、3 =三=KTti = 396.4 x 0,087 片 34.55 C fl J1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1 5 I 巾5.1, 13 Itv =可而詼 =63.7s>叫用轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理I 回 I I135J-13 騫 =4J而T x 38,7s >(2-23)(2-24)(2-25)(2-26)(2-27)(2-28)2.2.3 計(jì)算限制器的電阻電容值取 R0=4kQ= KRn = 686.8 x 4= 2747JO rl I U%0.087G = % = 2740 x 1000 = 0,03uF4J 4 x 0.01% =其"=4 x 1000 = °

11、;4叫當(dāng)h=5的時(shí)候有.=37.5,不能滿足設(shè)計(jì)要求,采用退飽和超調(diào)設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)Z=0,允許過載倍數(shù)為1.5,那么18.75 XO.7S54%口工八 3tmsm-O.OOfiS - 0.0174% = 2入-zry- = 2 X 81.2% x L5 x x = 2% < 10%能滿足設(shè)計(jì)要求3.1電流環(huán)模塊第3章仿真模塊圖3-13.2轉(zhuǎn)速環(huán)模塊圖3-2第4章仿真結(jié)果圖4-24.4穩(wěn)定性指標(biāo)的分析4.4.1 電流環(huán)的穩(wěn)定性由附圖4.1中仿真圖可以看到,當(dāng)其幅頻特性曲線過0時(shí),既具轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)相頻率特 性曲線的點(diǎn)在-180之上,并且仍有一定余量,充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定.4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的

12、穩(wěn)定性由附圖4.2中仿真圖可以看到,當(dāng)其幅頻特性曲線過0時(shí),既具轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)相頻率特 性曲線的點(diǎn)在-180之上,并且仍有一定余量,充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定.結(jié)論雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)過程中,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRg歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段,即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段.從啟動(dòng)時(shí)間 上看,第二階段恒流升速是主要的階段,因此雙閉環(huán)系統(tǒng)根本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速 啟動(dòng),利用了飽和非線性限制方法,到達(dá)“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)限制.啟動(dòng)時(shí),讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用,電流內(nèi)環(huán)起主要作用,調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流保持最大,使轉(zhuǎn)速線性變化,迅速到達(dá)給定值； 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)外環(huán)起主要作用,使轉(zhuǎn)

13、速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化,電流內(nèi)環(huán) 跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過程波形的.根據(jù)ASR在起動(dòng)過程中的飽和情況,可將起動(dòng)過程分為三個(gè)階段,即電流上升階段、恒流升速階段和 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段.從起動(dòng)時(shí)間上看,R階段恒流升速是主要的階段,因此雙閉環(huán)系統(tǒng)根本上實(shí) 現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng),利用了飽和非線性限制方法,到達(dá)“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)限制 .帶 PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn),就是轉(zhuǎn)速必超調(diào).在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,ASR勺作用是對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差,其輸出限幅決定允許的最大電流.ACRB作用是電流跟隨,過流自動(dòng)保護(hù)和及時(shí)抑制電壓波動(dòng)實(shí)驗(yàn)仿真調(diào)試過程,出現(xiàn)兩條仿真曲線成上下震蕩的表現(xiàn)形式,檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)比例參數(shù) 設(shè)置的較大,最后選取了較小的參數(shù),得到了滿意的結(jié)果.實(shí)驗(yàn)中還遇到一個(gè)問題,就是即使運(yùn)用了比例積分調(diào)節(jié),但是抗干擾性還是不好,不知 道能否利用PID調(diào)節(jié)得出更加滿意的結(jié)果？參考文獻(xiàn)1文亞鳳.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法的數(shù)字仿真.現(xiàn)代電力.20002潘繼安.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及程序編制.四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào).20013陳渝光.電氣自動(dòng)限制原理與系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社2022年9月1日4趙明.直流調(diào)速系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.20