運動控制系統(tǒng)課程設計直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 周 穎 工作單位： 自動化學院 題 目: 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計 初始條件：采用晶閘管三相橋式整流,電機參數(shù)：，無靜差。電流過載倍數(shù)為， 、。電流超調量5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量10%。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1 系統(tǒng)原理圖設計；2 轉速和電流用兩個調節(jié)器進行調節(jié)；3 過程分析，軟件設計；4 電流環(huán)和轉速環(huán)結構圖繪制； 5 仿真曲線繪制時間安排：12 月 21 日-22日查閱資料 12月 23 日- 25日方案設計 12月 28 日- 29 日饌寫程設計報告12月30日提交報

2、告，答辯指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要 1設計任務 11.1初始條件 11.2設計任務 12直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖設計 2 2.1系統(tǒng)的組成 2 2.2系統(tǒng)的電路原理圖 33直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器設計 4 3.1獲得系統(tǒng)設計對象 4 3.2電流調節(jié)器的設計 5電流環(huán)結構框圖的化簡 5電流調節(jié)器結構的選擇 7電流調節(jié)器的常數(shù)計算 7電流調節(jié)器的實現(xiàn) 10 3.3轉速調節(jié)器的設計 10電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 10轉速調節(jié)器的結構選擇 11轉速調節(jié)器的參數(shù)計算 13轉速調節(jié)器的實現(xiàn) 154系統(tǒng)起動過程分析 165系統(tǒng)仿真 186心得體會 19參考文獻

3、20摘要本設計通過分析直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，設計出系統(tǒng)的電路原理圖。同時，采用工程設計的方法對直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電流和轉速兩個調節(jié)器進行設計，先設計電流調節(jié)器，然后將整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再來設計轉速調節(jié)器。遵從確定時間常數(shù)、選擇調節(jié)器結構、計算調節(jié)器參數(shù)、校驗近似條件的步驟一步一步的實現(xiàn)對調節(jié)器的具體設計。之后，再對系統(tǒng)的起動過程進行分析，以了解系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后用Matlab軟件中的Simulink模塊對設計好的系統(tǒng)進行模擬仿真，得出仿真波形。關鍵詞：原理圖 調節(jié)器 工程設計方法 參數(shù)整定 起動過程 仿真直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計1設計任務1.1初始條件采用晶閘管三相

4、橋式整流，電機參數(shù)：，系統(tǒng)無靜差。電流過載倍數(shù)，電流濾波時間常數(shù)，轉速濾波時間常數(shù)，電流超調量，空載啟動到額定轉速時的轉速超調量。1.2設計任務1.設計直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖；2.設計電流環(huán)和轉速環(huán)并對其進行調節(jié)；3.繪制電流環(huán)和轉速環(huán)結構框圖；4.分析系統(tǒng)的啟動過程；5.仿真曲線的繪制（選作）2直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖設計2.1系統(tǒng)的組成轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)是應用最廣、性能很好的直流調速系統(tǒng)。采用PI調節(jié)的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。 圖1理想快速啟動過程電流和轉速波形如題1所示

5、，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達到的控制：啟動過程只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；達到穩(wěn)態(tài)轉速后只有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用。故而采用轉速和電流兩個調節(jié)器來組成系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別在系統(tǒng)中起作用，可以在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）連接，如圖2所示。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)器的輸出去控制電力電

6、子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。圖2轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.2系統(tǒng)的電路原理圖圖3直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電路兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。圖中ASR為轉速調節(jié)器，ACR為電流調節(jié)器，TG表示測速發(fā)電機，TA表示電流互感器，GT是觸發(fā)電路，UPE是電力電子變換器。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還標出了兩個調節(jié)器的

7、輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給的電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。3直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器設計 本設計將運用工程設計方法來設計轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器。按照設計多環(huán)控制系統(tǒng)先內環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應該首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。3.1獲得系統(tǒng)設計對象根據(jù)圖3直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖可以方便的繪出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如圖4所示。其中為轉速反饋系數(shù)，為電流反饋系數(shù)。圖4直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖在考

8、慮雙閉環(huán)控制的結構（見圖4直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖）的基礎上，即可繪出直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖，如圖5所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯示出來。圖5直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖在實際設計過程中，由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱

9、作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。所以直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖應該與圖5有所不同，應當增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。如圖6所示。圖6直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖3.2電流調節(jié)器的設計3.2.1電流環(huán)結構框圖的化簡在圖6點畫線框內的電流內環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢

10、與轉速成正比，它代表轉速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此，轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就算說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結構框圖，如圖7所示?？梢宰C明，忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：式中 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。圖7忽略反電動勢的動態(tài)影響時的電流環(huán)動態(tài)結構框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)

11、，如圖8所示。圖8等效成單位負反饋系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結構框圖最后，由于和一般都比小的多，可以當作小慣性群而近似的看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為：則電流環(huán)結構框圖最終可以簡化成如圖9所示。簡化的近似條件是圖9小慣性環(huán)節(jié)近似處理的電流環(huán)動態(tài)結構框圖3.2.2電流調節(jié)器結構的選擇首先考慮把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉特性，由圖9可以看出，采用型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型型系統(tǒng)

12、。圖9的表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成：式中 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)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成圖10所示的典型形式，其中：圖10校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結構框圖3.2.3電流調節(jié)器的參數(shù)計算1.確定時間常數(shù)1）整流裝置滯后時間常數(shù)。通過表1可得出，三相橋式電路的平均失控時間。2）電流濾波時間常數(shù)。根據(jù)初始條件有。3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。表1各種整流電路的失控時間（）整流電路形式最大失控時間平均失控時間單相半波單

13、相橋式（全波）三相半波三相橋式、六相半波20106.673.331053.331.674）電磁時間常數(shù)。已知電樞回路電感，則：2.選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無差，按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)：檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表2的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。表2典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系3.計算電流調節(jié)器參數(shù)電流反饋系數(shù)。電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：要求時，按表3，取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：表3典型型系統(tǒng)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系0.250.3

14、90.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.64.73.32.4峰值時間8.36.24.73.6相角穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率0.2430.3670.4550.5690.7864.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。2） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。3） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5.計算調節(jié)器電阻和電容由圖11，按所用運算放大器取，各電阻和電容

15、值為：，取， ，取 ，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。3.2.4電流調節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調節(jié)器原理圖如圖11所示。圖中為電流給的電壓，為電流負反饋電壓，調節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)運算放大器的電路原理，可以導出：圖11含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器3.3轉速調節(jié)器的設計3.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，由圖10可知，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為忽略高次項，可降階近似為近似條件式中 轉速開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等

16、效成這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。3.3.2轉速調節(jié)器的結構選擇用電流環(huán)的等效代替圖6中的電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖12所示。圖12用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后轉速環(huán)的代替結構框圖把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改為，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中則轉速環(huán)結構框圖可簡化成如圖13所示。圖13等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理的轉速環(huán)動態(tài)結構框圖為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器ASR中。現(xiàn)在擾動

17、作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。在理論計算中，線性系統(tǒng)的階躍超調量較大，但在實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。故而，ASR也采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中 轉速調節(jié)器的比例系數(shù)； 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)為令轉速環(huán)開環(huán)增益為則不考慮負載擾動時，校正后調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖14所示。上述結果所服從的近似條件歸納為：圖14校正后成典型型系統(tǒng)的轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖3.3.3轉速調節(jié)器的參數(shù)計算1.確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)。

18、根據(jù)上文中，則2）轉速濾波時間常數(shù)。根據(jù)初始條件。3）轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取2.選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.計算轉速調節(jié)器參數(shù)轉速反饋系數(shù)。按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為轉速開環(huán)增益則ASR的比例系數(shù)為4.檢驗近似條件 轉速環(huán)截止頻率為1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 ，滿足簡化條件。2） 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 ，滿足近似條件。5.計算調節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖15，取，則，??； ，??； ，取。6.校核轉速超調量當時，查表4可得，不能滿足設計要求。實際上，由于表4是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR

19、退飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況計算超調量。表4典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111由表5查得，則滿足設計要求。表5典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.45

20、8.8012.9516.8519.8022.8025.853.3.4轉速調節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器原理圖如圖15所示，圖中為轉速給定電壓，為轉速負反饋電壓，調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器的給定電壓。與電流調節(jié)器相似，轉速調節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關系為圖15含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器4系統(tǒng)起動過程分析直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定電壓時由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過程圖如圖16所示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成了圖中標明的、三個階段。圖16直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形第階段（）是電流上升階段

21、。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調節(jié)器的跟隨作用，、都跟著上升，但是在沒有達到負載電流以前，電動機還不能轉動。當后，電動機開始起動。由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升。直到，電流調節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第階段（）是恒流升速階段。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為恒值電流給的下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。與此同時，電動機的反電動勢也按線性增長，對電流調

22、節(jié)系統(tǒng)來說，是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。ACR采用PI調節(jié)器時，為了使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略小于。此外，為了保證電流環(huán)的這種調節(jié)作用，在起動過程中ACR不應飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也需留有余地。第階段（以后）是轉速調節(jié)階段。當轉速上升到給定值時，轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉速就繼續(xù)上升。直到時，轉矩，則，轉速才

23、到達峰值（時）。此后電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在時間內，直到穩(wěn)定。在最后的轉速調節(jié)階段內，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快的跟隨給定值，即電流內環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程的特點是：1）飽和非線性控制。隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單的用線性控制理論來分析整個起動過程。2）轉速超調。當轉速調節(jié)器ASR采用PI調節(jié)器時，轉速必然有超調。3）準時間最優(yōu)控制。在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想起動過程還有一些差距，不過這兩個階段只占全部起動時間中的很小一部分，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。5系統(tǒng)仿真 本設計運用Matlab的Simulink來對系統(tǒng)進行模擬仿真。根據(jù)圖6以及上面計算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，如圖17所示。系統(tǒng)運行，得到系統(tǒng)電流和轉速的仿真曲線，分別如圖18中的（a）、（b）所示。圖17直流