(完整word版)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).

1、直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：1101 班姓名：孔令慧學(xué)號(hào)：120112724指導(dǎo)教師：佟維妍起止日期： 2014 年 6 月 16 日 2014 年 6 月 22 日目錄設(shè)計(jì)概述2第一章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)31.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)31.2 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用4第二章整體電路分析62.1 電流環(huán)設(shè)計(jì)62.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)62.3 典型 I 型系統(tǒng)介紹72.4 典型型系統(tǒng)介紹82.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)92.6 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)92.7 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量9第三章參數(shù)計(jì)算103.1 相關(guān)參數(shù)103.2 主要參數(shù)計(jì)算10電流環(huán)參數(shù)計(jì)算1

2、0轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算12MATLAB仿真15課程設(shè)計(jì)體會(huì)191設(shè)計(jì)概述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。 在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。由于直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 本人就直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究， 從直流電機(jī)的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 再進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)設(shè)計(jì)方案的研究，用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，并用所學(xué)的 MATLAB進(jìn)行仿真，分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法中由于忽略和簡(jiǎn)化造成的誤差。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中， 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)需從動(dòng)態(tài)校正

3、的需要來解決， 設(shè)計(jì)每個(gè)調(diào)節(jié)器是， 都必須先求該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性， 對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，盡量縮短啟、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下， 應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力， 最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值， 是電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而裝入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)過程中， 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用， 需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 二者之間實(shí)行串級(jí)連接， 即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入

4、， 再用電流調(diào)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(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2第一章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR 電流調(diào)節(jié)器TG 測(cè)速發(fā)電機(jī)TA 電流互感器UPE 電力電子變換器圖中，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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 則可以近似在電機(jī)最大電流、 轉(zhuǎn)矩受限的條件下，充分利用電機(jī)的

5、允許過載能力， 使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)， 到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后， 又可以讓電流迅速降低下來， 使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡， 從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行， 此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波， 而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的， 這是在最大電流、轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器， 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接， 這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋， 而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端， 到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后， 只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋， 不3靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。所以選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)

6、結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、 動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用P I調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于圖1-2 。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。UiTARiCiL+RnCnR0U* n R0ACRASRGTV+1LMRPI dLMR0- +UUdMR0-+ *+UcM-+U iPE-Unn+RP2TGT-圖 1-2雙閉環(huán)直流調(diào)速速系統(tǒng)電路原理圖1.2兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的選擇：圖 1-2 表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用 PI 型

7、的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成WACR (s)K i ( i s 1)i s為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇i T l則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖1-3 所示的典型形式，其中K i K sK Ii R4圖 1-2小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖 1-3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差， 在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 中，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見， ASR也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為K

8、 n (n s1)WASR ( s)n s5第二章整體電路分析2.1 電流環(huán)設(shè)計(jì)(1) 確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)T S 。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)T oi 。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti 。（ 2）選擇電流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，并保證無靜差，可按典型I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。（ 3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)（ 4）效驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci KI2.2轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)(1) 確定時(shí)間常數(shù)1 ）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) 1 。K I2 ）轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù) T ON 。3 ）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) T n 。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI 調(diào)節(jié)器。（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)（4）校驗(yàn)近

9、似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn K N = K N n11 ）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件1K I3T i2 ）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 1 K I3 Ton6（5）計(jì)算電阻電容Rn K n R0CnnC on 4TonRnR0（6）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量2.3典型 I 型系統(tǒng)介紹典型 I 型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1 所示。圖 2-1其傳遞函數(shù)為其中，時(shí)間常數(shù) T 在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的， 能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益 K，也就是說 K 是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù) K 的大小。典型的 I 型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB/dec的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選

10、擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-1 。典型 I 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-2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)的關(guān)系7表 2-2 典型 I 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.4典型型系統(tǒng)介紹典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2 所示。圖 2-3典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖其傳遞函數(shù)為在典型 II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式中。與典型I型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè):K 和，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。為了分析方便起見，引入一個(gè)新的變量，令典型

11、 II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-3表 2-3 典型 II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系82.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如圖2-4圖 2-4含給定濾波與反饋濾波的PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.6 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路下圖圖 2-5含給定濾波與反饋濾波的PI 型電流調(diào)節(jié)器2.7 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí)， ASR不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按 ASR 退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。9第三章參數(shù)計(jì)算3.1相關(guān)參數(shù)知參數(shù)：直流電動(dòng)機(jī)：n10kW ,U440V ,I365A ,n950r / min，PnnN，1.5；Ce 0.228V / r min

12、V-M系統(tǒng)主電路總電阻： R0.863 ；電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：Tl0.028s；電樞電路總電阻： R0.0825；電樞電路總電感： L3.0mH ；折算至電動(dòng)機(jī)飛輪慣量：GD220Nm2 ；系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm0.383s ；系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù)0.0158v min/r ；系統(tǒng)電流反饋系數(shù)0.274V / A ；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)：Ks40 ；三項(xiàng)橋式平均時(shí)空時(shí)間：Ts 0.0017s ；電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)： T0.002s ；oi轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)： Ton0.001s 。設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)電流超調(diào)量%5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量n %10%

13、 。3.2主要參數(shù)計(jì)算電流環(huán)參數(shù)計(jì)算1確定時(shí)間常數(shù)：101）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi =0.002s3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti = Ts + Toi =0.00667s2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i%=5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可用PI 型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：K i(i s 1)WACR (s)i sTl0.0284.197 參照典型 I 型系統(tǒng)檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： T i0.00667動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：

14、i=T =0.028s 。l電流環(huán)開環(huán)增益：要求 i%=5時(shí)，按照典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，應(yīng)取 K iT i =0.5 ，因此：K I0.50.574.96s 1T i0.00667于是， ACR的比例系數(shù)為KiK I i R74.96 0.0280.863K s2.1630 0.0284. 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率： ci =KI =74.96 1/S(1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件11199.6s 1ci3Ts3 0.00167滿足近似條件。(2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件313128.97s 1ciTmTl0.3830.02811滿足

15、近似條件。(3) 電流環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1111115.35s 1ci3TsToi30.001670.005滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i%=4.3%5，按照典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)條件。轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算1. 定時(shí)間常數(shù)(1) 電流環(huán)時(shí)間常數(shù) 1/K I 。已取 KI Ti =0.5 則12T i0.01334K I(2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)： Ton=0.005s(3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：T n10.01334 0.001 0.01434TonKI2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI 調(diào)節(jié)器，器傳遞函

16、數(shù)為K n (n s1)WASR (s)n s3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則 ASR得超前時(shí)間常數(shù)為nhT n50.018340.0917s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：12K Nh 16356.7s 22h2T 2n2 25 0.018342ASR的比例系數(shù)為：K n(h 1) CeTm6 0.274 0.228 0.03832h RT n22.62 5 0.0158 0.863 0.018344. 檢驗(yàn)近似條件：轉(zhuǎn)速截止頻率為：cnK NK N n 356.7 0.0917s 132.7s 11(1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 :1K I174.9613T i335.3

17、scn0.00667滿足簡(jiǎn)化條件。(2) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 :1K I174.9613Ton340.8scn0.005滿足簡(jiǎn)化條件。5. 計(jì)算調(diào)節(jié)電阻和電容取 R0=40K , 則RnK n Ro22.640k904kCnn0.0917F10.19FRn900 103Cii40.0053F5 1065 FRi40106. 轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí)，ASR不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。由典型I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性與參數(shù)的關(guān)系可得13Cmax / Cb 81.2% ，理想空載時(shí) z=0, 則n( Cmax )nb2(Cmax )(z) nb T

18、 nCbnCbn Tm1360.8630.01384281.2%1.20.22810%15002.42%0.383能滿足設(shè)計(jì)要求。14MATLAB仿真電流環(huán)不帶擾動(dòng)15電流環(huán)帶擾動(dòng)16轉(zhuǎn)速環(huán)無擾動(dòng)擾動(dòng)下17頻域特性圖num=76.786;den=0.00667 1 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)18課程設(shè)計(jì)體會(huì)這次的電力拖動(dòng)大作業(yè)可謂做的大費(fèi)周章， 無數(shù)次翻開課本溫習(xí)已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識(shí)，不斷點(diǎn)擊的鼠標(biāo)查閱網(wǎng)上的資料， 和同學(xué)諸多的交流學(xué)習(xí)， 終于完成了這次讓我受益匪淺的作業(yè)。上課時(shí)聽老師講的時(shí)候感覺這次設(shè)計(jì)也就是簡(jiǎn)單的帶入計(jì)算而已， 沒有理論上的難度，等到?jīng)]有人輔導(dǎo)自己設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)老生常談的問