(完整word版)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、課程設計報告課程課程設計課題雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計班級姓名學號目錄第 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)設計 .22.1電流調(diào)節(jié)器的設計 .22.1.1時間參數(shù)選擇 .22.1.2計算電流調(diào)節(jié)參數(shù) .22.1.3校驗近似條件 .32.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計 .32.2.1電流環(huán)等效時間常數(shù)： .32.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 .52.2.3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)定性指標的

2、分析 .84.4.1電流環(huán)的穩(wěn)定性 .84.4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性 .8結(jié)論 .9參考文獻 .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成阻感性加反電勢負載。因為電 機電流連續(xù)所以分析方法

3、與阻感性負載相同，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 Un 的偏差進行調(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 的偏差進行調(diào)節(jié)， 其輸出是 UPE（功率變換器件的）的控制信號 Uc。進而調(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)速會相應的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩

4、達到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達到穩(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)。 工程設計方法遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則。步驟為：先設計電流環(huán)（內(nèi)環(huán)） ，對其進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)性能指標的要求來確定其調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)。 電流環(huán)設計完成以后，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

5、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)。1第 2 章 系統(tǒng)參數(shù)設計2.1 電流調(diào)節(jié)器的設計額定電流? =?3000= 18.75? =?160額定電阻?2160 2? = ? = 3000 = 8.53 設置晶閘管放大系數(shù) K?= 40時間參數(shù)選擇整流裝置滯后時間常數(shù) ?，利用三相橋式電路的平均控制時間?= 0.0017?(2-3)?電流濾波時間常數(shù)? = 0.002?電流環(huán)小時間常數(shù)和?= ?+ ?= 0.0037?(2-1)(2-2)(2-4)(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)抗擾性能指標與參數(shù)關(guān)

6、系m T 1 / T 2 T / T 21 / 51/101/ 201/ 30C max/ Cb * 100%27.8%16.6%9.3%6.5%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)? 20 × 10-3?= ? =0.785= 0.03?(2-6)電流開環(huán)增益：0.50.5-1?= ?= 0.0037135.1?(2-7)? =? -? ?160-24 × 0.785? ?= 0.088?/?(2-8)?15901010= 1.5?= 1.5 × 18.75 = 0.533V/A(2-9)?機電時

7、間常數(shù)220.072 × 0.785 × 1000? = 375? ?=230=2s? ?375 × 0.088×?電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)?= ?= 0.03?電流調(diào)節(jié)器比例參數(shù)?135.1 × 0.03 × 0.785?= ? ?=40 × 0.5330.149?（2-10）(2-11)(2-12)校驗近似條件電流環(huán)截止頻率(2-13)-1? = ? = 135.1? 電力電子變換器純滯后的近似處理? <1=1-1-1(2-14)3× 0.0017? 196.1?3? 不考慮反電動勢的變化對電流環(huán)的動態(tài)影響

8、·? 31= 31-1-1(2-15)?12.26? ?2× 0.03? 電流環(huán)小慣性群的近似處理?<11=11-1-1(2-16)33? 180.8?0.0.17× 0.02? ?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，而已經(jīng)選定，需要求的只 Ki ，?可依照所要求的動態(tài)性能指標來選取。一般情況下，希望電流超調(diào)量為%52.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計電流環(huán)等效時間常數(shù)：放大倍數(shù) :1010= ? =1590 = 0.006?/?(2-17)?1= 2?= 2 ×0.0037 = 0.0074?(2-18)?表 2-2典型 II 型系統(tǒng)階躍輸

9、入跟隨性能指標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 / T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20K322111113轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)和轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)?= 0.01?查表 2-2 得 h=5慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)1+ ?= 0.0074 + 0.001 = 0.0174?(2-19)? =?×= 5(2-20)? = ? ?0.00174 = 0.087?轉(zhuǎn)速開環(huán)增益?=?+1=5+1-2(2-21)2222 = 2

10、191?2?2×5 × 0.0074ASR比例系數(shù)? =( h+1 )?6× 0.533× 0.0888×2(2-22)? =2× 5× 0.785× 0.006= 663.22?× 0.0174?例（ 2-22）按上述參數(shù)設計超調(diào)量= 2% < 5% 滿足設計要求4?轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為?-1? =?（2-23）= ? ? = 396.4 ×0.087 34.5?1? ?電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1?1135.1-1?=（ 2-24）3?3 63.7? > ?0.0037?轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)

11、近似處理1?=1135.1-1（）3?3 38.7? > ?0.01?2-25?計算控制器的電阻電容值取 R0=4k? = ?0 = 686.8 ×4 = 2747.2 （ 2-26）? =?0.087= 0,03uF（2-27 ）? =n?2740 × 10004?4× 0.01?=?=4× 1000= 0.1?（ 2-28）0當 h=5 的時候有 %=37.5，不能滿足設計要求，采用退飽和超調(diào)設理想空載起動時 Z=0，允許過載倍數(shù)為 1.5 ，則? = 2?(- z)能滿足設計要求?18.75 × 0.7850.01740.0888?

12、= 2×81.2%×1.5 ××?1590=2%<10%?2?5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 3-26第 4章仿真結(jié)果4.1 電流環(huán)仿真結(jié)果4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果圖 4-1圖 4-274.4 穩(wěn)定性指標的分析電流環(huán)的穩(wěn)定性由附圖 4.1 中仿真圖可以看到， 當其幅頻特性曲線過 0 時，既其轉(zhuǎn)折點所對應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， 當其幅頻特性曲線過 0 時，既其轉(zhuǎn)折點所對應相頻率特性曲線的點在 -180 之上，并且仍有

13、一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。8ACR的。帶ASR的結(jié)論雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(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，達到“準時間最優(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，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負反饋外環(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)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負載電流。雙閉環(huán)

14、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，達到“準時間最優(yōu)控制” 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，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。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 ?9參考文獻1 文亞鳳 . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程設計方法的數(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 . 四川輕化工學院學報 .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 .20035 姬宣德 . 韓英 . 李廣宏 . 基于 m