畢業(yè)論文轉速電流雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計

1、轉速電流雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計摘要電機自動控制系統(tǒng)廣泛應用于機械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產機械都采用電動機作原動機。有效地控制電機，提高其運行性能，對國民經濟具有十分重要的現(xiàn)實意義。20世紀90年代前的大約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子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的起動，制動和調速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(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)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性，優(yōu)異的控

2、制性能，高效率等優(yōu)點。直流調速仍然是目前最可靠，精度最高的調速方法。本次設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調速系統(tǒng)進行設計和控制，設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統(tǒng)的調節(jié)器，通過在DJDK-1型電力電子技術及電機控制試驗裝置上的調試,并應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。目錄摘要I目錄II第一章、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學模型11.1、數(shù)學模型的參數(shù)給定1、電樞回路的電磁時間常數(shù)TL1、電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm1、觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KS21.2、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理2、轉速控制的要求和調速指標2、調速系統(tǒng)的兩個基

3、本矛盾3、調速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調節(jié)原理5、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程分析5、轉速和電流兩個調節(jié)器的作用61.3、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)主電路的數(shù)學模型7、主電路7、額定勵磁下的直流電動機的數(shù)學描述7、晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函91.4、調速系統(tǒng)主電路的設計10、整流變壓器的計算10、晶閘管組件的計算與選擇11、主電路的過電壓和過電流保護11、平波電抗器的參數(shù)計算121.5、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元13、過流保護器(GL)、電流變送器(LB)13、電流調節(jié)器(ACR)13、零速封鎖器(LSF)13、給定器(GD)13、轉速變送器(SB)13、轉速調節(jié)器(ASR)13、鋸齒波觸發(fā)器(CF)141.6、雙

4、閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖14、電流調節(jié)器和電流變送器的傳函14、轉速調節(jié)器和轉速變送器的傳函14、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖15第二章、按工程設計方法設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器162.1、設計要求16、基本數(shù)據(jù)（其中包括銘牌數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)）16、設計指標172.2、工程設計方法的基本思路172.3、電流調節(jié)器的設計17、電流環(huán)動態(tài)結構圖的簡化17、確定電流環(huán)的時間常數(shù)18、電流調節(jié)器結構的選擇19、電流調節(jié)器參數(shù)的計算20、校驗近似條件20、電流環(huán)的動態(tài)性能指標212.4、轉速調節(jié)器的設計22、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)22、轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其近似處理22、轉速調節(jié)器結構的選

5、擇23、轉速調解器參數(shù)的計算24、轉速環(huán)的性能指標262.5、系統(tǒng)的靜態(tài)綜合及靜態(tài)性能指標28、近似的PI調節(jié)器28、系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖29第三章、調速系統(tǒng)性能指標的數(shù)字仿真303.1、基于工程設計法的數(shù)字仿真30、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖30、時域分析30課程設計體會31參考文獻32第一章、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學模型1.1、數(shù)學模型的參數(shù)給定1.1.1、電樞回路的電磁時間常數(shù)TL TL=0.176ms1、電樞回路總電阻R R0.221、電樞回路的總電感LL39.22mH1.1.2、電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)TmTm=0.127s1.1.2.1、電動機的Ce Ce=0.138 Vminr

6、1.1.3、觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KSKs=221.2、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理1.2.1、轉速控制的要求和調速指標生產工藝對控制系統(tǒng)性能的要求經量化和折算后可以表達為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標。設計任務書中給出了本系統(tǒng)調速指標的要求。深刻理解這些指標的含義是必要的，也有助于我們構想后面的設計思路。在以下四項中，前兩項屬于穩(wěn)態(tài)性能指標，后兩項屬于動態(tài)性能指標。1.2.1.1、調速范圍D生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，即 （1-1）1.2.1.2、靜差率s 當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率，即 （1-2）靜

7、差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度的。1.2.1.3、跟隨性能指標 在給定信號R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標來描述。具體的跟隨性能指標有下列各項：上升時間，超調量，調節(jié)時間.1.2.1.4、抗擾性能指標 此項指標表明控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力，它由以下兩項組成：動態(tài)降落，恢復時間。1.2.2、調速系統(tǒng)的兩個基本矛盾在理解了本設計需滿足的各項指標之后，我們會發(fā)現(xiàn)在權衡這些基本指標的兩個矛盾，即1、 動態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準確性對系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；2、起動快速性與防止電流的沖擊對電機電流的要求互相矛盾5。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng),在保證

8、系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實現(xiàn)轉速無靜差，解決了第一個矛盾。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動，突加負載動態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流和轉矩。無法解決第二個基本矛盾。在電機最大電流受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉速馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(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，靠強烈的負反饋作用限

9、制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖1-1a所示。t0nIdnnIdnIdlt0Idla) b)圖1-1 調速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉速波形a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)的啟動過程 b) 理想快速啟動過程當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經常正反轉運行的調速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產率的重要因素。為此，在電機最大電流(轉矩)受限的條件下,希望充分地利用電機的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動,到達穩(wěn)

10、定轉速后,又讓電流立即降低下來,使轉矩馬上與負載平衡,從而轉入穩(wěn)態(tài)運行.這樣的理想起動過程波形如圖1-1b所示,起動電流呈方形波,而轉速是線性增長的。這是在最大電流(轉矩)受限的條件下，調速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實現(xiàn)。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后,希望只有轉速反饋,不再靠電流負反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎上產生的。1.2.3、調速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調節(jié)原理見圖1-2：圖1-2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理框圖為了

11、實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流,二者之間實行串級連接.把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入,再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調節(jié)器給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。1.2.4、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)起動

12、過程的電流和轉速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照轉速調節(jié)器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，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；轉速調節(jié)階段。從起動時間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)還有一個特點，就是起動過程中轉速一定有超調。其起動過程波形如圖1-3所示。圖1-3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形雙閉環(huán)調速系統(tǒng)有如下三個特點：1、飽和非線性控制：隨著ASR的飽和和不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩個狀態(tài)。當ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)表

13、現(xiàn)為恒流電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當ASR不飽和時，轉速閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下，表現(xiàn)為不同結構的現(xiàn)行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。2、準時間控制：啟動過程中主要階段實第II階段，即恒流升速階段。它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使啟動過程盡可能更快。這個階段屬于電流受限制的條件下的最短時間控制，或稱時間最優(yōu)控制。3、轉速超調：由于采用了飽和非線性控制,啟動過程結束進入第III階段即轉速調節(jié)階段后,必須使轉速調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調節(jié)器的特性，只有使轉速超調，ASR的輸入偏差電壓Un為負值

14、，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必然有超調6。1.2.5、轉速和電流兩個調節(jié)器的作用轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為1轉速調節(jié)器的作用：1）使轉速n跟隨給定電壓Um*變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；2）對付在變化起抗擾作用；3）其輸出限幅決定允許的最大電流。2電流調節(jié)器的作用：1）對電網電壓波動起及時抗擾作用；2）起動時保證獲得允許的最大電流；3）在轉速調節(jié)過程中，使電流跟隨起給定電壓Um*變化；4）當電動機過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護最用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常7。1.3、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)主

15、電路的數(shù)學模型1.3.1、主電路見附圖一1.3.2、額定勵磁下的直流電動機的數(shù)學描述由圖2-5中的c)可列出微分方程如下： (主電路,假定電流連續(xù)) (額定勵磁下的感應電動勢) (牛頓動力學定律,忽略粘性摩擦) (額定勵磁下的電磁轉矩)式中：TL包括電機空載轉矩在內的負載轉矩，單位為Nm；GD2電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機軸上的飛輪轉矩，單位為Nm2；Cm=30Ce/電動機額定勵磁下的轉矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時間常數(shù)：TL=L/R電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s； Tm=(GD2R)/(375CeCm)電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)，單位為s。整理后得式中 IdL=TL/Cm負載額定電流

16、.在零初始條件下，取等式兩側的拉式變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (1-3)電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為 (1-4)由以上傳遞函數(shù)，可以得到額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖如圖1-4所示：圖1-4 額定勵磁下直流電動機動態(tài)結構圖由上圖可以看出，直流電動機有兩個輸入量。一個是理想空載整流電壓Ud0，另一個是負載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結構圖中把電流Id表現(xiàn)出來，可將擾動量IdL的綜合點前移，并進行等效變換，如圖1-5所示圖1-5 直流電動機動態(tài)結構圖的簡化和變換a) b) 1.3.3、晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函1、失控時間 以單相全波純電阻負載整流電路為例來討論滯

17、后時間的大小。假設在t1時刻某一對晶閘管觸發(fā)導通，控制角為1；如果控制電壓Vct在t2時刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經導通，Vct的改變對它已不起作用，平均整流電壓Vdo1并不會立即產生反應，必須等到t3時刻該組件關斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一 對晶閘管。設Vct2對應的控制角為2，則另一對晶閘管在t4時刻才導通，平均整流電壓變成Vd02。假設平均整流電壓是在自然換相點變化的，則從Vct發(fā)生變化到Vd0發(fā)生變化之間的時間Ts便是失控時間。本設計采用三相橋式整流電路，平均失控時間Ts =1.67(ms)，實際取1.7(ms)。1、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函 用單位階躍函數(shù)來表示滯后，則晶閘管

18、觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為 Ud0=KsUct1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理,則傳遞函數(shù)為 (1-5)考慮到Ts很小,忽略其高次項,則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié) (1-6)式中 Ks=觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)；Ts= 觸發(fā)和整流裝置的平均失控時間。工程近似條件 c1/3Ts (1-7)1.4、調速系統(tǒng)主電路的設計在理解了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)主電路的數(shù)學模型和工作原理之后，可以計算出各個組成部分的選用型號及取值。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡要的給予部分計算過程。本設計重點和難點在系統(tǒng)中的兩個調節(jié)器。1.4.1、整流變壓器的計算1、整流變壓器的次級相電壓的有效值

19、U2=113V1、變壓器的額定參數(shù)變壓器接成/ Y 形，可以得到零線，同時濾除三次諧波。（1） 次級線電壓： U線 = 1.732U2 = 196（V）（2） 二次側電流： I2 = 0.816Id = 95（A）（3） 變壓器的變比： K = U1相 /U2相 = 1.95（4） 一次側相電流： I1=48.7（A）（5） 一次容量： S1 = 3 U1 I1(1+5%)= 32(KVA)（6） 二次容量： S2 = 3U2I2 = 32(KVA)（7） 平均計算容量：S = ( S1+ S2)/2 = 32(KVA)1.4.2、晶閘管組件的計算與選擇1、SCR的額定電流ITN = (1.5

20、-2)Kfb Id =96128 (A)取IT =100(A)1.4.2.2、SCR的額定電壓:Utn = (2-3)Utm = 554831(V)取Utn =700(V)、主電路的過電壓和過電流保護1、過電壓保護（1） 交流側過電壓保護:用壓敏二極管抑制事故過電壓壓敏電阻的標稱電壓：U1MA1.33*1.414*UB =1.33*1.414*196=368.6(V)通流容量: IPM110KFU2L/U1MA*I200.95=110*0.5*196*0.2540.95÷440.1=6.66(A)（2）直流側過壓保護: 利用電阻和電容吸收操作過壓A. 電容C的參數(shù): C = 2LBK

21、L2ID2 /(KV2-1)UD2= 2*2.94*103*0.52*15.62/(22-1)*2202 = 2.5(µF)取 C = 4µFUC > 2UD = 2*220 = 440(V)取 UC = 630(V)B. 電阻R的參數(shù):R = UD(KV-1) / KIID =220*(2-1)/0.5*15.6 = 28()取 R = 30PR PD/800 = 2.8*103/800 = 3.7(W)取 PR = 10W所以選定CD = 4µF/630V, RB = 30/10W1.4.3.2、晶閘管換向過電壓保護為防止在換相過程中，被關斷的晶閘管出現(xiàn)

22、反向過壓，而導致反向擊穿。通常在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC阻容吸收電路。C=0.25（uF）R=20()電容C的耐壓為：1.5*277V=415.5V電阻功率：PR=1.75*F*C*Utm2 *10-6（W）=1.68W1.4.3.3、過電流保護每個橋臂串個快速融斷器額定電流：IN =ITNITN=100A，則：IN=100A。額定電壓: Urn KVTUUb/1.414 = 233.9（V）取 Urn = 400V實際選用 RSO100A/400V 6只1.4.4、平波電抗器的參數(shù)計算1、限制電流脈動的電感量LmLm= (Udm/U2)*103*U2 / 2fbSiId= 15 mH1.4.4

23、.2、使電流連續(xù)的電感量LcrLcr = KcrU2/Idmin = 0.693*113/ Id*8% = 8mH1.4.4.3、電動機電樞電感LD和變壓器電感LBLD=19.1*UN*103/2PIN*nN =0.2mHLB =0.2mH1.5、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元見附圖一1.5.1、過流保護器(GL)、電流變送器(LB)見附圖一1.5.2、電流調節(jié)器(ACR)見附圖一1.5.3、零速封鎖器(LSF)見附圖一1.5.4、給定器(GD)見附圖一1.5.5、轉速變送器(SB)見附圖一1.5.6、轉速調節(jié)器(ASR)見附圖一1.5.7、鋸齒波觸發(fā)器(CF)見附圖一1.6、雙閉環(huán)調速系

24、統(tǒng)的動態(tài)結構圖在對調節(jié)器具體設計之前，為了從整體理解整個雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，這里先給出了各調節(jié)器和變送器的傳遞函數(shù)。1.6.1、電流調節(jié)器和電流變送器的傳函1、電流調節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)Uct (s ) /Un*( s )-Id(s)= Ki (is+1) /is（Tois+1）其中： Ki=Ri/Ro電流調節(jié)器的比例系數(shù) i=RiCi電流調節(jié)器的積分時間常數(shù)Toi=0.25RiCoi電流反饋濾波時間常數(shù) 電流反饋系數(shù)1.6.1.2、電流變送器LB的傳遞函數(shù)Id (s) / Id (s)= (v/A)1.6.2、轉速調節(jié)器和轉速變送器的傳函1、轉速調節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)U i* (s) / U n

25、* (s) -n (s) =Kn (ns+1) /ns（Tons+1）其中：Kn=Rn/R0轉速調節(jié)器的比例系數(shù) n=RnCn轉速調節(jié)器的積分時間常數(shù)Ton=0.25RnCon轉速反饋濾波時間常數(shù)轉速反饋系數(shù)1.6.2.2、轉速變送器SB的傳遞函數(shù)Un(s)/n(s)=a（v/rpm）1.6.3、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖在單閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，由上述各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可繪出雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖。由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要給定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定

26、信號通道中加入一個相同時間常數(shù)Toi的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：使給定信號和反饋信號經過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設計上的方便。同樣，由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)由Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，也需要在轉速給定通道配上時間常數(shù)為Ton為濾波環(huán)節(jié)6。所以實際的電路需增加電流濾波、轉速濾波、和兩個給定濾波環(huán)節(jié)，見圖1-6:圖1-6 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖第二章、按工程設計方法設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器2.1、設計要求本論文首先應用經典控制理論的工程設計方法,設計出轉速和電流雙閉環(huán)直流調速

27、系統(tǒng),然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標最優(yōu)設計方法, 設計此調速系統(tǒng)。2.1.1、基本數(shù)據(jù)（其中包括銘牌數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)）（1）被控直流電動機 Pe=22 kw Ue=220 v Ie=116 A ne=1500r/min Re=0.102 Ce=0.138 Vmin =1.5 （2）整流裝置 三相全控橋式整流電路 Rn=1.60 Ks=Ud/Uk=40 Ts=1.7 ms（3）電樞回路總電阻 R0.22（4）電樞回路總電感 L=39.22 mH（6）系統(tǒng)時間常數(shù) Tl0.176 ms Tm=0.127 ms（7）反饋濾波時間常數(shù) Toi=0.00285 s Ton=0.00285 s

28、（8）調節(jié)器最大給定電壓 U*nm=U*im=10 v（9）調節(jié)器輸入回路電阻 R0=40 k2.1.2、設計指標穩(wěn)態(tài)指標：無靜差；動態(tài)指標：電流超調量；空載起動到額定轉速時的轉速超調量。2.2、工程設計方法的基本思路用經典的動態(tài)校正方法設計調節(jié)器必須同時解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求8。作為工程設計方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調節(jié)器的設計過程分為兩步：第一步，先選擇調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標這樣做，就把穩(wěn)、準、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問題

29、分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進一步滿足其它動態(tài)性能指標。在選擇調節(jié)器結構時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標的關系都已事先找到，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)計算以下就可以了。這樣就使設計犯法規(guī)范化，大大減少了設計工作量6。2.3、電流調節(jié)器的設計2.3.1、電流環(huán)動態(tài)結構圖的簡化 設計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產生的交叉反饋作用。它代表轉速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)TL一般遠小于機電時間常數(shù)Tm，因而電流的調節(jié)過程往往比轉速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是

30、一個變化緩慢的擾動作用，在電流調節(jié)器的調節(jié)過程中可以近似的認為E不變，即E=0。這樣，在設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結構圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi6。 圖2-1 電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡2.3.2、確定電流環(huán)的時間常數(shù) 2、三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s 2、電流濾波時間常數(shù)Toi Toi =0.00285s2、電流環(huán)小時間常數(shù)TI = Ts+Toi=0.00455s (2-

31、1)2.3.3、電流調節(jié)器結構的選擇首先應決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調,或者超調量越小越好。從這個觀點出發(fā),應該把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)?？呻娏鳝h(huán)還有另一個對電網電壓波動及時調節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)。一般情況下,當控制對象的兩個時間常數(shù)之比TL/TI 10時,典系統(tǒng)的抗擾恢復時間還是可以接受的。因此,一般多按典系統(tǒng)來設計電流環(huán)6。本設計因為 i% 5%且TL/TI =0.000176/0.00455<10。所以 按典系統(tǒng)設計,選PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (2

32、-2)式中 Ki電流調節(jié)器的比例系數(shù)電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇=TL, 則電流環(huán)的動態(tài)結構圖可以化簡為圖2-2：圖3-2 電流環(huán)簡化成典系統(tǒng)2.3.4、電流調節(jié)器參數(shù)的計算2、計算時間常數(shù)和比例系數(shù)電流調節(jié)器積分時間常數(shù): I =Tl =0.176ms電流開環(huán)增益: 要求i%5%, 應取KITi=0.5因此 KI = 0.5/Ti=0.5/0.00455=109.89（1/s）電流反饋系數(shù) (2-3)于是，ACR的比例系數(shù) : (2-4)2、計算調節(jié)器電阻和電容按所用運放取 R0 =40k(),則 Ri = KiR0 = 4.64() (2-

33、5) Ci =i /Ri= 0.000176/4.64=37.93F (2-6) Coi =4Toi /R0 =4*0.00285/(40*103)=2.85F (2-7)在工程實際中Ri取5k.2.3.5、校驗近似條件電流環(huán)的截止頻率ci =KI =109.892.3.5.1、晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件ci 1/3Ts現(xiàn)在 ，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1>ci ，滿足近似條件。2.3.5.2、忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 (2-8)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.127*0.000176)1/2=634.5>ci =KI =109.892、小時間常數(shù)

34、近似處理條件 (2-9)1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.00285)1/2=151.44>ci =109.89按上述參數(shù),電流環(huán)可以達到動態(tài)指標I%=4.3%<5%。2.3.6、電流環(huán)的動態(tài)性能指標2.3.6.1、頻域指標 電流環(huán)的動態(tài)結構圖如圖3-2所示,其開環(huán)頻率特性為: (2-10)L()=20lgKI-20lg-20lg(1+Ti22)½ (2-11)()=-90o-tg-1Ti (2-12)()=90o-tg-1Ti (2-13)根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨指標和頻域指標的參數(shù)的關系,當KITi=0.5時, 阻尼比=0.707，振蕩

35、指標MP=1，截止頻率 ci=KI=74.6因此 ()=-90o-tg-1Ti=-116.6o (ci)=180-()=63.4o2.3.6.2、跟隨性能指標 i%=4.3%<5% 上升時間tr=4.72Ti=4.72*0.00455=21.48ms 超調時間tm=6.5Ti=6.5*0.00455=29.58ms 調節(jié)時間tS=6Ti=6*0.00455=27.3ms 2.4、轉速調節(jié)器的設計2.4.1、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： (2-14) (2-15)近似條件: (2-16)式中

36、cn為轉速環(huán)的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計算完成后,需校驗此近似條件。2.4.2、轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉速調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如3-3（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內，同時將給定信號改為U*n(s)/；再把時間常數(shù)為Ton和2Ti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Tn的慣性環(huán)節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉速環(huán)結構圖可轉化成圖2-3（b）。圖3-3 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其近似處理2.4.3、轉速調節(jié)器結構的選擇2、轉速調節(jié)環(huán)選用典型型系統(tǒng)的原因1). 系統(tǒng)在負載擾動作用下，動態(tài)速降要小。2). ST飽和時，速度環(huán)

37、退飽和超調量不大。3). 速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。2.4.3.2、典型型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標的關系為了分析方便起見，引入一個新的變量h，令h=/T=2/1 (2-17)h是斜濾為-20dB/dec的中頻斷的寬度(對數(shù)坐標)，稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質起著決定性的作用，因此h只是一個很關鍵的參數(shù)。從頻率特性上還可看出，由于T一定，改變就等于改變了中頻寬h；在確定以后，再改變K相當于是開環(huán)對數(shù)幅頻特性上下平移，從而改變了截止頻率c。因此在設計調節(jié)器時，選擇兩個參數(shù)h和c，就相當于選擇參數(shù)和K。由“振蕩指標法”中所用的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準則，對于一定的h值，只有一個確定

38、的c(或K)，可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin，這時c和1，2之間的關系是2/c = 2h/(h+1) (2-18)c/1 = (h+1)/2 (2-19)而 1+2 = 2c/(h+1)+2hc/(h+1)=2c因此 c=(1/2)(1+2)=(1/2)(1/+1/T) (2-20)對應的最小M峰值是 Mrmin=(h+1)/(h-1) (2-21)確定了h和c以后,可以很容易的計算和K。由h的定義知 =hT (2-22)9 (2-23)2.4.4、轉速調解器參數(shù)的計算 要把轉速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (2-24)式中 Kn轉速調節(jié)器的比例系數(shù);

39、n轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù). 這樣,調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 (2-25)其中,轉速環(huán)開環(huán)增益 KN =KnR/(nCeTm) (2-26)上述近似的假定條件如下(1) cn1/(5TI)=29.85rad/sec 見(2-11)(2)小時間常數(shù)近似條件: (2-27)即cn(1/3)(1/(2*0.0067*0.01)1/2=28.80(rad/sec)其中轉速濾波時間常數(shù): Ton = 0.00285s轉速環(huán)小時間常數(shù): Tn = 2TI + Ton = 0.01195s 按跟隨性能和抗擾性能都比較好的原則,取h=5則ASR的超前時間常數(shù):n=hTn=5*0.01195=0.05975(s

40、)再由式(3-23),轉速環(huán)開環(huán)增益 KN =(h+1)/(2h2Tn2)=6/(2*25*0.011952)=840.3(1/s2)ASR的比例系數(shù) Kn=(h+1)CeTm/(2hRTn) (2-28) =6*0.0575*0.138*0.127/(2*5*0.007*0.22*0.01195) =32.9轉速環(huán)截止頻率 cn =KN/1= KN *n=840.3*0.117=98.32 (2-29)取 R0 =40k則 Rn =KnR0 =1316k (2-30) C n=n/R0 =0.05975/40k=1.49uF (2-31) Con=4Ton/R0=4*0.00285/40k=

41、2.85uF (2-32)在工程實際中Rn取1400K.2.4.5、轉速環(huán)的性能指標2、轉速環(huán)的跟隨性能指標= 因為 (2-33)得% =37.6%顯然,%不滿足設計要求，事實上，當突加給定或大幅度升降或制動時，ST處于飽和限幅狀態(tài)，系統(tǒng)的超調實際上是退飽和超調。而上述計算的%=37.6%卻是ASR處于線性狀態(tài)下的超調6。此時分析典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標的的基準值： （2-34）當h=5時，查典型型抗擾性能指標表得所以，有 （2-35）滿足設計要求。2.4.5.2、轉速環(huán)的抗擾性能指標（1）突加負載的動態(tài)速降指標：續(xù).1，有，所以 （2-36）因此 （2-37）滿足設計要求。（2）恢復時間指

42、標：根據(jù)“典型型系統(tǒng)抗擾性能指標與參數(shù)關系”表，當h=5時，而所以，滿足設計要求。2.5、系統(tǒng)的靜態(tài)綜合及靜態(tài)性能指標2.5.1、近似的PI調節(jié)器嚴格來說，“無靜差”只是理論上的，因為積分或比例積分調節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時電容兩端的電壓不變，相當于開路，由于ST和LT都采用了PI調節(jié)器,可以認為其靜態(tài)放大倍數(shù)為無窮大,所以才能在輸入電壓U=0時，使輸出電壓Uct成為任意所需值，因此,消除了穩(wěn)態(tài)誤差,但是也容易使運放產生“零漂”，引起系統(tǒng)的工作點移動。為了抑制“零漂”，往往采用近似的PI調節(jié)器，即在運放的輸出端和輸入端并聯(lián)一個較大的硬反饋電阻，把靜態(tài)放大倍數(shù)壓下來，同時又不影響動態(tài)放大倍數(shù)。這樣系統(tǒng)就成了

43、有差系統(tǒng)，有必要對系統(tǒng)進行靜態(tài)綜合，以滿足靜態(tài)性能指標的要求。近似的PI調節(jié)器及對數(shù)幅頻特性如圖2-4所示：圖2-4 近似調節(jié)器及對數(shù)幅頻特性a)近似調節(jié)器結構圖b)近似調節(jié)器的對數(shù)幅頻特性在R1、C1兩端并接一個電阻R1/，其值一般為若干M，這樣就形成了近似的PI調節(jié)器，或稱“準PI調節(jié)器”。這時調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)更低于無窮大，為KP/=Ri/R0，系統(tǒng)也只是一個近似的無靜差調速系統(tǒng)。 (2-38)式中KP/=Ri/R0，=(R1+R1)/R1>>1,1=R1C1。靜態(tài)放大倍數(shù)KP/=Ri/R0，動態(tài)放大倍數(shù)KP=Ri/R0。2.5.2、系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜態(tài)結構

44、圖如圖3-5所示:圖35 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖其中 KN/=RN/R0速度調節(jié)器的靜態(tài)放大倍數(shù) KI/=RI/R0電流調節(jié)器的靜態(tài)放大倍數(shù) KS=Ud/UK=40 =Ufn/n=Ugn/n=0.0053v/rpm =Ufi/Id=8/15=0.342V/A由圖35易得如下方程:Un=Un*-Un,Ui*=KN/Un,Ui=Ui*-Id,Uct=KI/Ui整理后能夠得到系統(tǒng)的靜特性方程為: (2-39)其中 K=KN/KI/KS/Ce系統(tǒng)的開環(huán)增益靜態(tài)速降為: (2-40)即 ned=1500*0.04/10(1-0.04)=6.25 為系統(tǒng)所能允許的靜態(tài)速降。第三章、調速系統(tǒng)性能指標的數(shù)

45、字仿真3.1、基于工程設計法的數(shù)字仿真3.1.1、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖在第2章基于工程設計方法中, 我們已經設計出了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),并得到以下參數(shù)直流電動機：=220V =116A =1500r/min Ce=0.138V/rpm；主回路總電阻：R=0.22 =0.0017s =0.00285s Tl=0.000176s =0.00285s,Tm=0.127s；反饋系數(shù)：=0.007V/rpm =0.342V/A應用MATLAB工具箱及其SIMULINK仿真工具，按其規(guī)則，可以非常方便的繪制出控制系統(tǒng)的SIMULINK動態(tài)結構圖以及各種仿真曲線。首先應對圖1-2所示系統(tǒng)建立相應的數(shù)學

46、模型，其仿真結構圖見附圖二。3.1.2、時域分析在SIMULINK工具箱中點擊啟動鍵, scope中即可見時域響應圖.。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程見附圖二課程設計體會本設計“雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工程設計” ，對于給定的DJDK1型電力電子技術及電機控制實驗裝置，測定直流電動機的各項電氣參數(shù)和時間常數(shù)，并應用經典控制理論的工程設計方法設計轉速和電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，最后應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。對于給定直流拖動控制系統(tǒng)在經典控制理論工程計算的基礎上，在完成參數(shù)測定后，應用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)工程設計方法設計了主電路、電流環(huán)和轉速環(huán)，并應用MATLAB語

47、言中的SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行了仿真，看到了理論設計與仿真結果的差異，通過對仿真結果的分析，進一步了解了工程設計方法中的近似環(huán)節(jié)給系統(tǒng)帶來的影響，認識到了理論設計和工程計算的不同。仿真部分，運用了MATLAB語言，掌握了語言的基本操作，并著重學習了SIMULINK工具箱。運用SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行了仿真，得到了系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及其它各種線性分析曲線。縱觀整個設計，經典部分是已學過的知識，通過畢業(yè)設計深入理解了工程設計方法，擴展了知識面，各門課程綜合應用，收益頗多，使我對直流調速系統(tǒng)的控制有了更深的認識。但由于理論水平有限，仍有許多不足之處有待解決。參考文獻1陳伯時，電力拖動

48、及自動控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，2001。2 揚仲平，自動控制系統(tǒng)，煤炭工業(yè)出版社，1996。3徐銀泉，交流調速系統(tǒng)及其應用，紡織工業(yè)出版社，1990。 4許建國，拖動與調速系統(tǒng)，武漢測繪科技大學出版社，1998。5佟純厚，近代交流調速，冶金工業(yè)出版社, 1985。6倪忠遠，直流調速系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社, 1996。7孫樹撲等，電力電子技術，中國礦業(yè)大學出版社，2000。8黃俊，王兆安，電力電子技術，機械工業(yè)出版社，2000。9劉祖潤，胡均達，畢業(yè)設計指導，機械工業(yè)出版社，1996。g an employment tribunal claimEmployment tribunals sort

49、out disagreements between employers and employees.You may need to make a claim to an employment tribunal if:· you don't agree with the disciplinary action your employer has taken against you· your employer dismisses you and you think that you have been dismissed unfairly.For more infor

50、mation about dismissal and unfair dismissal, see Dismissal.You can make a claim to an employment tribunal, even if you haven't appealed against the disciplinary action your employer has taken against you. However, if you win your case, the tribunal may reduce any compensation awar

51、ded to you as a result of your failure to appeal.Remember that in most cases you must make an application to an employment tribunal within three months of the date when the event you are complaining about happened. If your application is received after this time limit, the tribunal will not usually accept it.If you are worried about how the time limits apply to you, take advice