CDIO調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性圖1-1是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和電流負(fù)反應(yīng)，這是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，或稱(chēng)審級(jí)聯(lián)接。Ui*TA-() TA圖1-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖從閉環(huán)構(gòu)造上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)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 穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖及其靜特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫(huà)出穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖，如圖1-2。Id圖1-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)構(gòu)造圖一轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)；一電流反應(yīng)系數(shù)這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀

2、況：飽和和不飽和。輸出如果到達(dá)限幅值就是飽和，輸出如果沒(méi)有到達(dá)限幅值就是不飽和。當(dāng)輸出為恒值，輸入量的變化不會(huì)再影響輸出時(shí)，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng)PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是等于零時(shí)，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和輸出時(shí)，負(fù)載電流到達(dá)最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差7。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。1.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正一一PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速

3、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造圖如圖1-3所示：圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造圖在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計(jì)適宜的動(dòng)態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用PID調(diào)節(jié)器的用聯(lián)校正方案就可以完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性卻不高；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后一超前校正那么兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜叫一般的調(diào)速

4、系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原那么是：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。1.3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中主要采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。1.3.1 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的根本思路再選擇先選擇調(diào)節(jié)器的構(gòu)造，確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制的一般原那么是：從內(nèi)環(huán)開(kāi)場(chǎng)，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)中先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后將電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再進(jìn)展轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)

5、計(jì)。1.3.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1、設(shè)計(jì)指標(biāo)：1）靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i%5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10%o2、電機(jī)根本數(shù)據(jù)如下：1）電樞電阻Ra=1.5&2）電機(jī)額定電流匕3.24A;3）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=1450r/min;4）電樞回路總電阻R=4Q;5回路總電感=2mH3、其它參數(shù)計(jì)算12CeUN一5Ra=0.0338V-min/rnNCm=30Ce/力=0.3236N-min/r3Tm2GD2R375CeCm= 0.02903s4Tl=L/R=0.0005s5控制電壓Uc的調(diào)節(jié)X圍是010V,由于是雙極性控制，所以U

6、c=5V；整流電壓Ud的變化X圍是054VKs=54/5=10.86電流反應(yīng)系數(shù)設(shè)最大允許電流1dm=1.5IN,限幅值Uim,定為10V,電壓給定Unm也為10V。那么Idm=1.53.24=4.86AimI dm= 10/4.86=4.44V/A*Unm7速度反應(yīng)系數(shù)=10/1450=0.0069V-min/rnmax1.4 電流環(huán)的設(shè)計(jì)將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)0KJR43ACR1、選擇電流調(diào)節(jié)器構(gòu)造可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為WACR(s)Ki-'is式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常

7、數(shù)。2、選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)i T0.0005s；電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益:要求i 5% ,故應(yīng)取KiT i 0.5 ,因此0.5T70. 5-6666.67s0. 0001167于是，ACR的比例系數(shù)為：Ki2ksa0. 0005 46666.67-2.058 10.80.63、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:ciKi16666. 67s1PWM裝置傳遞函數(shù)近似條件:ci13Ts3Ts3 0. 0000516666. 67s 1 ci滿足近似條件;2忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件:ci3TmTl33 : 0.0290310. 0005249s 1 ci滿足近似條件;3小時(shí)間常數(shù)近似處

8、理?xiàng)l件:ci9428. 1S 1ci滿足近似條件。4計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻為Ro40k,各電阻和電容值計(jì)算如下RKR0.640k24k,取24kC,0，0007106F0.0208F,取0.02FR24103c4Toi40.00006676Coi之3-106F0.00667F,取0.00670FR040101.5 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1.6 定時(shí)間常數(shù)1.7 速濾波時(shí)間常數(shù)Ton0.001S2轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理Tn2TiTom0.00115s1.8 擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器構(gòu)造按跟隨和抗擾性能都能較好的原那么，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)

9、積分環(huán)節(jié)，因此需要設(shè)由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型R型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3、選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)cS 1WASR(S)Kn- n S根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原那么取h 5,那么ASR超前時(shí)間常數(shù)hTn 5 0. 00115s0. 00575s轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益:625 0.001152s 290737 24s 2ASR的比例系數(shù):Kn(h2h1) CeTm-一Lm42.48RTn4、近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為:cnKn_ 1Kn n 521.73s1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件:cn現(xiàn)在1 Ki3 T12519.4scn滿足簡(jiǎn)化條件2轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:Kicn3Ton現(xiàn)在1KI3 Ton860. 66scn滿足近似條件3計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻R040k,那么RnKnR42.4840k1699.2k，取1700k-n0.005756Cn-r106F0.00338F,取0.00340FRn1700103Con等40.001106F0.1F,取0.1FRo401034檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，0=37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量