雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、課 程 設(shè) 計 報 告課 程 課程設(shè)計 課 題 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 班 級 姓 名 學(xué) 號 目錄第1章 雙閉環(huán)系統(tǒng)分析11.1系統(tǒng)介紹11.2系統(tǒng)原理11.3雙閉環(huán)的優(yōu)點1第2章 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計22.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計2時間參數(shù)選擇2計算電流調(diào)節(jié)參數(shù)2校驗近似條件32.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計3電流環(huán)等效時間常數(shù)：3轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為5計算控制器的電阻電容值5第3章 仿真模塊63.1電流環(huán)模塊63.2轉(zhuǎn)速環(huán)模塊6第4章 仿真結(jié)果74.1電流環(huán)仿真結(jié)果74.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果74.4穩(wěn)定性指標(biāo)的分析8電流環(huán)的穩(wěn)定性8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)

2、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；按控制方法又可分為相控整流和斬波 控制整流電路。 本系統(tǒng)采用的是三相全控橋式晶閘管相控整流電路。這是因為電機容量相對 較大，并且要求直流脈動小、容易濾波。其交流側(cè)由三相電網(wǎng)直接供電，直流側(cè) 輸出脈動很小的直流電。在分析時把直流電機當(dāng)成阻感性加反電勢負(fù)載。因為電 機電流連續(xù)所以分析方法與阻感性負(fù)載相同，各參量計算公式亦相同。1.2系統(tǒng)原理ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋

3、Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號Ui*（對于直流電動機來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。 ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機的電樞電壓，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)速會相應(yīng)的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。1.3雙閉環(huán)的優(yōu)點雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)，每一環(huán)都有調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。工程設(shè)計

4、方法遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則。步驟為：先設(shè)計電流環(huán)（內(nèi)環(huán)），對其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后依照電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一種典型系統(tǒng)，再根據(jù)控制對象確定其調(diào)節(jié)器的類型，最后根據(jù)動態(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)計完成以后，把電流環(huán)看成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。 在電流檢測信號中常有交流分量，為了不讓它影響調(diào)節(jié)器的輸入，加入了低通濾波器，然而濾波環(huán)節(jié)可以使反饋信號延遲，為了消除此延遲在給定位置加一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。同理，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓常含有換向紋波，因此也在給定和反饋環(huán)節(jié)加入濾波環(huán)節(jié)。第2章 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計2.

5、1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計額定電流IN=PNUN =3000160=18.75A (2-1)額定電阻RN=U2P=16023000=8.53 (2-2)設(shè)置晶閘管放大系數(shù)Ks=40時間參數(shù)選擇整流裝置滯后時間常數(shù)Ts，利用三相橋式電路的平均控制時間Ts=0.0017s (2-3)電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s (2-4)電流環(huán)小時間常數(shù)和Ti=Ts+Toi=0.0037s (2-5)計算電流調(diào)節(jié)參數(shù)表2-1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)Tl=LR=20×10-30.785=0.03s (2-6)電流開環(huán)增益：KI=0.5Ti=0.50.0037135.1

6、s-1 (2-7)Ce=Ur-IdRan=160-24×0.78515900.088Vmin/r (2-8)=101.5IN=101.5×18.75=0.533V/A (2-9)機電時間常數(shù)Tm=GD2R375CeCm=0.072×0.785×1000375×0.0882×30=2s （2-10）電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)i=Tl=0.03s (2-11)電流調(diào)節(jié)器比例參數(shù)Ki=KIiRKs=135.1×0.03×0.78540×0.5330.149 (2-12)校驗近似條件電流環(huán)截止頻率ci=KI=135.

7、1S-1 (2-13) 電力電子變換器純滯后的近似處理ci<13Ts=13×0.0017s-1196.1s-1 (2-14) 不考慮反電動勢的變化對電流環(huán)的動態(tài)影響·ci31TmTl=312×0.03s-112.26s-1 (2-15) 電流環(huán)小慣性群的近似處理ci<131TsToi=1310.0.17×0.02s-1180.8s-1 (2-16)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算得，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Ki和i，而已經(jīng)選定，需要求的只Ki，可依照所要求的動態(tài)性能指標(biāo)來選取。一般情況下，希望電流超調(diào)量為%5= 2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計  電流環(huán)等效時

8、間常數(shù)：放大倍數(shù):=10nN=101590=0.006Vmin/r (2-17)1KI=2Ti=2×0.0037=0.0074s (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%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20K32211111轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)和轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Ton=0.01s 查表2-2得h=5慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)Tn=1KI+Ton=0.0074+0.001=0.0174s

9、(2-19)n=hTn=5×0.00174=0.087s (2-20)轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN=h+12h2Tn2=5+12×52×0.00742=2191s-2 (2-21)ASR比例系數(shù)Kn=h+1CeTm2hRTn=6×0.533×0.0888×22×5×0.785×0.006×0.0174=663.2 (2-22)例（2-22）按上述參數(shù)設(shè)計超調(diào)量=2%<5%滿足設(shè)計要求轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為cn=Kn1=Knn=396.4×0.08734.5s-1 （2-23）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件

10、13KITi=13135.10.003763.7s-1>cn （2-24）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理13KITon=13135.10.0138.7s-1>cn （2-25）2.2.3計算控制器的電阻電容值取R0=4kRn=KnR0=686.8×4=2747.2 （2-26）Cn=nRn=0.0872740×1000=0,03uF （2-27）Con=4TonR0=4×0.014×1000=0.1uF （2-28）當(dāng)h=5的時候有%=37.5，不能滿足設(shè)計要求，采用退飽和超調(diào)設(shè)理想空載起動時Z=0，允許過載倍數(shù)為1.5，則n=2CmaxCb-zn

11、Nn*TnTm=2×81.2%×1.5×18.75×0.7850.08881590×0.01742=2%<10% 能滿足設(shè)計要求第3章 仿真模塊3.1電流環(huán)模塊圖3-13.2轉(zhuǎn)速環(huán)模塊圖3-2第4章 仿真結(jié)果4.1電流環(huán)仿真結(jié)果圖4-14.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果圖4-24.4穩(wěn)定性指標(biāo)的分析  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，既其轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)相頻率特性曲線的點在-180之上，并且仍有一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。 轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性 由附圖4.2中仿真圖可以看到

12、，當(dāng)其幅頻特性曲線過0時，既其轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)相頻率特性曲線的點在-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、退飽和三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從啟動時間上看，第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。啟動時，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)啟動電流保持最大，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟

13、隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負(fù)載電流。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照ASR在起動過程中的飽和情況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓波動實驗仿真調(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。實驗中還遇到一個問題，就是即使運用了比例積分調(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.20013陳渝光.電氣自動控制原理與系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社2004年9月1日4趙明.直流調(diào)速系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.