基于PLC的直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、第一章 緒論21.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史概述21.2 PLC在電機調(diào)速中的應(yīng)用21.3 PLC的特點21.4 課程的背景、目的及意義3第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計及算法模型確定42.1 系統(tǒng)總體設(shè)計42.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計51.電流環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計原理52. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)的簡化53電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇64.電流控制程序82.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計91電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)92轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇103轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇114最后校核一下要求的性能指標125. 轉(zhuǎn)速控制程序12第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真123.1電流環(huán)系統(tǒng)仿真131.電流環(huán)仿真模型132.仿真結(jié)果133.2轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)仿真161.轉(zhuǎn)速環(huán)仿

2、真模型16下面就轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計舉例，建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型如下圖9所示。162仿真結(jié)果163.3 系統(tǒng)仿真181.系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（圖13）182 .系統(tǒng)仿真模型（圖14）193 系統(tǒng)仿真曲線（圖15）19第一章 緒論1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史概述電機調(diào)速的發(fā)展與電力電子技術(shù)的發(fā)展是不可分離的，電機調(diào)速和電力電子技術(shù)相互結(jié)合，相互促進，實現(xiàn)了現(xiàn)代的電氣傳動控制：一弱點檢測、判斷并發(fā)出控制信息，用強電來執(zhí)行控制的使命。從這個角度上看，可以說，現(xiàn)代電氣控制技術(shù)是強電與弱點相結(jié)合的技術(shù)。早期的電機控制只是利用電器來控制電動機的啟動、制動、正反轉(zhuǎn)和分級調(diào)速。隨著技術(shù)的進步，生產(chǎn)工藝對電機控制提出了越來越高的要

3、求，諸如精確穩(wěn)定的運行速度、無極調(diào)速、快速反向、準確定位等等。直流電機變壓和弱磁調(diào)速可以比較好的滿足這些要求，于是誕生了旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系（Ward-Leonard系統(tǒng)），簡稱G-M系統(tǒng)。對調(diào)速性能要求再高時，則引入電機型放大器、磁放大器、電子放大器等放大裝置進行反饋控制。到上世紀五十年代，機組供電直流調(diào)速系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)展到了巔峰的階段，也正是它的缺點暴露的最充分的時候：它的設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、安裝須地基、運行有噪音、維修不方便等等日益稱為生產(chǎn)上的負擔(dān)。為了解決這些矛盾，人們開始采用水銀整流器和閘流管等靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，形成所謂的離子傳動控制系統(tǒng)。1957

4、年，可控的半導(dǎo)體器件-晶閘管問世，由它組成的靜止式可控整流裝置無論在運行性能上還是在可靠性上都具有明顯的優(yōu)勢，60年代成了晶閘管的時代，這種靜止式變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)稱為晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）。70年代以來，國際上電力電子技術(shù)突飛猛進，推出了新一代的開和關(guān)都能控制的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率晶體管（GTR）、場效應(yīng)晶閘管（P-MOSFET）等，自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。1.2 PLC在電機調(diào)速中的應(yīng)用可

5、編程控制器PLC是通用的自動化控制裝置，是船舶實現(xiàn)自動化、智能化控制的核心控制元件。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，采用模塊式組合設(shè)計，具有控制功能強，可靠性高、使用靈活方便，易于擴展而且PLC系統(tǒng)開發(fā)簡單、編程容易、抗干擾能力強、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，故而只要合理設(shè)計，降低成本，它將會受到現(xiàn)場技術(shù)人員的歡迎。，在船舶主機遙控系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)中央冷卻控制系統(tǒng)等重要設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。在本課題所進行的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，采用PLC作為系統(tǒng)的主控器件。之所以選擇用PLC來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制思想，是因為PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點。除上述

6、優(yōu)點外，PLC具有超強的穩(wěn)定性和長時間連續(xù)工作的能力，因而，PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制化專業(yè)設(shè)計的控制裝置，具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低。1.3 PLC的特點1. 編程方法簡單易學(xué) 梯形圖是使用最多的PLC編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象可觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序617。2. 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾

7、技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。3. 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。

8、可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。4. 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人

9、使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。5. 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 6. 體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。1.4 課程的背景、目的及意義電機自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大

10、部分生產(chǎn)機械都采用電動機做原動機。有效地控制電機，提高其運行性能，對國民經(jīng)濟具有十分重要的現(xiàn)實意義。20世紀90年代前地大約50年的時間里，直流電動機幾乎是唯一的一種能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機，直流電動機的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場互相獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的啟動，制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其他電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺候控制首選。因為它具有良好的線性特征，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。本次設(shè)計的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動控制理論和工程設(shè)計的方法對直流調(diào)速系

11、統(tǒng)進行設(shè)計和控制，設(shè)計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。并應(yīng)用MATLAB軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計及算法模型確定2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動機的轉(zhuǎn)速準確跟隨

12、給定電壓, 把由電流負反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 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，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖1所示：圖1 直流雙閉環(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。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理圖如圖2所示：圖2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。2.2 電流調(diào)

13、節(jié)器的設(shè)計1.電流環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計原理電流環(huán)的控制對象由電樞回路組成的大慣性環(huán)節(jié)與晶閘管整流裝置、觸發(fā)器、電流互感器以及反饋濾波等一些小慣性環(huán)節(jié)組成。電流環(huán)可以校正成典型 型系統(tǒng)，也可以 校正成典型 型系統(tǒng)，校正成哪種系統(tǒng)，取決于具體系統(tǒng)的要求。由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加給 定時，不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好。從這個觀點來說，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型 型系統(tǒng)。但典型 型系統(tǒng)在電磁慣性時間常數(shù)較大時，抗擾性能較差，恢復(fù)時間較長。 考慮到電流環(huán)還對電網(wǎng)電壓波動有及時的調(diào)節(jié)功能，因此，為了提高其抗擾性能，又希 望把電流環(huán)校正成典型 型系統(tǒng)。在一般情況下，當(dāng)控制

14、系統(tǒng)的兩個時間常數(shù)之 T 1 Ti10 比時，典型 型系統(tǒng) 的恢復(fù)時間還是可以接受的，因此，一般按典型 型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)。此外，為了按典 型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)，需要對電流環(huán)進行必要的工程近似和等效處理。2. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)的簡化電流環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖 a 所示。把電流環(huán)單獨拿出來設(shè)計時，首先遇到的問題是反電勢 產(chǎn)生的反饋作用。在實際系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù) T1 遠小于機電時間常數(shù) Tm，電流 調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，因而也比電勢 E 的變化快得多，反電勢對電流 環(huán)來說，只是一個變化緩慢的擾動，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認為 E 基本 不變，即E=0。這樣，在設(shè)計電流環(huán)時，可以不考慮反電

15、勢變化的影響，而將電勢反饋作用斷開，使電流環(huán)結(jié)構(gòu)得以簡化。另外，在將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等 效的置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)結(jié)構(gòu)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)。最后，考慮到反饋時間常數(shù) Ti 和晶 閘管變流裝置間常數(shù) Ts 比 T1 小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，并取 Ti=Toi+Ts。經(jīng) 過上述簡化和近似處理后，電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖最終可簡化為下圖 c 所示圖3 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡3電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇由于電流環(huán)中的控制對象傳遞函數(shù) Wi（s）含有兩個慣性環(huán)節(jié)，因此按典型系統(tǒng)設(shè)計的話，應(yīng)該選PI 調(diào)節(jié)器進行串聯(lián)校正，其傳遞函數(shù)為為了對消控制對象的大時間常數(shù)，取=T1。此時，電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖就成為典型型系

16、統(tǒng)的形式，如圖（a）示。如果要求跟隨性好，超調(diào)量小，可按工程最佳參數(shù)或 = 0.707 選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)Ki為令 ，故有：且截止頻率為 為：上述關(guān)系表明，按工程最佳參數(shù)設(shè)計電流環(huán)時，截止頻率ci w 與i T 的關(guān)系滿足小慣性環(huán)節(jié)的近似條件。如果按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)，則需要將控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)近似為積分環(huán)節(jié)，當(dāng)時，而電流調(diào)節(jié)器仍可用PI 調(diào)節(jié)規(guī)律。但積分時間常數(shù)應(yīng)選得小一些，即。按最小峰值選擇電流環(huán)時，如選用工程最佳參數(shù)h=5，則電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)KI 為：于是可得顯然，按工程最佳參數(shù)h=5 確定的和的關(guān)系，也可以滿足小慣性環(huán)節(jié)的似條件。2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)

17、計1電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)電流環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán)，設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時要對電流環(huán)做進一步的簡化處理，使電流成為一個簡單的環(huán)節(jié)，以便按典型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。如果電流環(huán)是按工程最佳參數(shù)設(shè)計的典型 I 型系統(tǒng)，則由圖4-2（a）可得其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：由于：在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，轉(zhuǎn)速外環(huán)的截止頻率總是低于電流環(huán)的截止頻率 ，即。因此，設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時可以把電流環(huán)看成是外環(huán)中的一個小時常數(shù)環(huán)節(jié)，并加以簡化處理，即略去中分母的高次項，得簡化后的傳遞函數(shù)為：近似條件為：電流環(huán)的這種近似處理產(chǎn)生的效果可以用對數(shù)幅頻特性來表示。電流環(huán)未作處理時阻尼比 = 0.707，自然振蕩頻率為的二階振蕩環(huán)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率較低時，對于轉(zhuǎn)

18、速環(huán)的頻率特性來說，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高頻段有些區(qū)別。由于電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸入信號是 Ui。因此，與電流環(huán)的近似的小環(huán)節(jié)應(yīng)為式中時間常數(shù)的大小隨調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇方法不同而異。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié)，從圖 4（b）可以看出，在負載擾動作用點以后，已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，故從靜態(tài)無差考慮需要II 型系統(tǒng)。從動態(tài)性能上看，考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能是一致的，而典型II 型系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。所以，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該按典型II 系統(tǒng)進行設(shè)計。由圖 4（b）可以明顯地看出，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II 型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR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)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為其中，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)示于下圖 4（c）(a)圖 4 轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及近似處理3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇按跟隨性能和抗擾性能最好的原則，取 h=5 進行計算。小慣性環(huán)節(jié)近似處理條件：4最后校核一下要求的性能指標電流環(huán)設(shè)計時，所以。第三章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真為了在研究中去獲得合適的參數(shù)本文用目前流行的MATLAB軟件對控制系統(tǒng)進行了仿真。仿真是在理想的情況下進行的，獲得結(jié)果對研究分析系統(tǒng)可