雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、.四川大學電氣信息學院自動化系課程設(shè)計 2013.7目錄頁第一章 緒論2 1-1課題背景，實驗?zāi)康呐c實驗設(shè)備2 1-2國內(nèi)外研究情況3第二章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計理論3 2-1典型型和典型型系統(tǒng)3 2-2系統(tǒng)的靜，動態(tài)性能指標4 2-3非典型系統(tǒng)的典型化6 2-4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計7第三章 模型參數(shù)測定和模型建立9 3-1系統(tǒng)模型參數(shù)測定實驗步驟和原理9 3-2模型測定實驗的計算分析11 3-3系統(tǒng)模型仿真和誤差分析18第四章 工程設(shè)計方法設(shè)計和整定轉(zhuǎn)速，電流反饋調(diào)速系統(tǒng)22 4-1 設(shè)計整定的思路22 4-2 電流調(diào)節(jié)器的整定和電流內(nèi)環(huán)的校正，簡化23 4-3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的整定和轉(zhuǎn)速環(huán)

2、的校正，簡化25 4-4系統(tǒng)的實際運行整定27 4-5 關(guān)于ASR和ACR調(diào)節(jié)器的進一步探討33第五章 設(shè)計分析和心得總結(jié)34 5-1實驗中出現(xiàn)的問題34 5-2實驗心得體會35第六章 實驗原始數(shù)據(jù)38 6-1建模測定數(shù)據(jù)386-2 系統(tǒng)調(diào)試實驗數(shù)據(jù)39第一章 緒論1-1課題背景，實驗?zāi)康呐c實驗設(shè)備轉(zhuǎn)速，電流反饋控制的調(diào)速系統(tǒng)是一種動靜態(tài)特性優(yōu)良的直流調(diào)速系統(tǒng)，它的控制規(guī)律是建立在經(jīng)典控制規(guī)律的基礎(chǔ)上的，用傳遞函數(shù)建立動態(tài)數(shù)學模型，并從傳遞函數(shù)模型和開環(huán)頻域特性去總結(jié)其控制規(guī)律，用跟隨和抗擾兩個方面的指標去衡量它的動靜態(tài)性能。轉(zhuǎn)速，電流反饋控制的調(diào)速系統(tǒng)是一種串級系統(tǒng)，所以其整定系統(tǒng)參數(shù)的方法

3、也借鑒了一般串級系統(tǒng)的差別，但又有不同于一般串級系統(tǒng)的。本次實驗的主要目的是針對一套調(diào)速系統(tǒng)（包括電源，電機，勵磁回路等）建立模型并整定出帶濾波的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)，投入運行。實驗正值暑期實踐及國際交流周，我們將用兩周的時間來完成參數(shù)測定實驗，系統(tǒng)建模，調(diào)節(jié)器整定和系統(tǒng)投入運行。本次實驗的實驗設(shè)備包括：實驗裝置型號規(guī)格備注電力電子傳動平臺MCL-實驗平臺示波器TDS-1012帶寬100MHZ 最高采樣頻率1GS/s得到轉(zhuǎn)速，電流波形，調(diào)節(jié)參數(shù)時參考數(shù)字萬用表GDM-8145測量電阻，電壓實驗設(shè)計的基本要求是：性能指標靜態(tài)靜差率<5%調(diào)速范圍3 (483rpm-1450rpm)動態(tài)

4、電流超調(diào)量<5%轉(zhuǎn)速超調(diào)量<10%1-2國內(nèi)外研究情況 雖然目前的直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟，調(diào)速系統(tǒng)的信號給定已經(jīng)做成集成電路，許多邏輯判斷通過嵌入式系統(tǒng)或者工業(yè)控制機加入調(diào)速系統(tǒng)，但對它乃至電力拖動系統(tǒng)的研究是不會結(jié)束的，當前國內(nèi)外關(guān)于電力拖動系統(tǒng)的研究主要集中在 應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，經(jīng)典控制理論雖然物理概念明確，理論分析直觀，但存在不能實現(xiàn)最優(yōu)控制和大系統(tǒng)控制等問題。隨著離散控制器及其理論的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論有了用武之地。高性能的計算機可以實時完成復(fù)雜的運算；系統(tǒng)辨識，參數(shù)估計和算法魯棒性上的應(yīng)用，大幅改善了控制效果。 研發(fā)新型的電力電子器件，隨著電力電子器件走向耐高壓，大功率，

5、高頻化和智能化，新型的電力拖動系統(tǒng)能擁有更可靠的性能，能適應(yīng)更極端的工作條件。 與嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)合，嵌入式操作系統(tǒng)的加入能使電力拖動系統(tǒng)擁有更強大的功能，包括聯(lián)網(wǎng)的云檢測故障，大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作等，此外，基于Linux的數(shù)字伺服系統(tǒng)無疑是目前的研究熱點。 第二章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計理論 2-1典型型和典型型系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，無論是電機還是調(diào)節(jié)器都被看成一個拉普拉斯變換成的域模型，這些環(huán)節(jié)通過串并聯(lián)合反饋連接在一起，構(gòu)成了系統(tǒng)，要對系統(tǒng)進行分析，就要先清楚一些典型系統(tǒng)的特性。 典型型和典型型系統(tǒng)的區(qū)別在于原點處零極點的個數(shù)不同，而除原點外其他處的零極點個數(shù)則區(qū)分了同一典型系統(tǒng)的不同系統(tǒng)。

6、典型型的開環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)為 ,分別為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)和開環(huán)增益。 典型型的開環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)為 為一個比例微分因子，附帶了慣性環(huán)節(jié)，比例微分因子存在的的作用是把系統(tǒng)的相頻特性提升到線以上，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。 典型型的閉環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)為 為系統(tǒng)的自然振蕩頻率 為系統(tǒng)的阻尼比 典型型的閉環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)為 為斜率為的中頻段寬度。對于型系統(tǒng)而言，開環(huán)增益K越大，截至頻率也越大，系統(tǒng)的響應(yīng)也越快，但是相角裕量裕量會變小，在響應(yīng)上的表現(xiàn)就是調(diào)節(jié)時間變短，但是振蕩會加劇。2-2系統(tǒng)的靜，動態(tài)性能指標 在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜，動態(tài)性能，而要衡量調(diào)節(jié)器的設(shè)置和調(diào)整是否恰當，就需要一些相應(yīng)的指標。

7、 這些指標包括兩大類，在下表中列出 跟隨性能特性名稱備注上升時間輸出量第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所用的時間超調(diào)量輸出量超過穩(wěn)態(tài)值最大時與穩(wěn)態(tài)值差值比上穩(wěn)態(tài)值峰值時間輸出量上升到最大值所用時間調(diào)節(jié)時間輸出量穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)值附近一定范圍內(nèi)所用時間抗擾性能特性動態(tài)降落穩(wěn)態(tài)運行時突加負擾動造成的輸出量降落恢復(fù)時間穩(wěn)態(tài)運行時突加擾動后輸出穩(wěn)定在一定范圍的時間表2-1 性能指標及其定義 型系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)是一個二階系統(tǒng)，它的暫態(tài)響應(yīng)特性指標與系統(tǒng)的阻尼比和自然振蕩頻率有關(guān)，并且可以歸納成下表 表2-2 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)是一個三階系統(tǒng)，可以將它用主導(dǎo)零極點法簡化成二階系統(tǒng)進

8、行分析，它的跟隨性能指標也可以歸納為 表2-3 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標2-3非典型系統(tǒng)的典型化實際控制對象的傳遞函數(shù)多種多樣，往往受很多參數(shù)影響，并且直接由微分方程建立的是高次模型。為了構(gòu)造成低階的典型系統(tǒng)，需要做許多近似處理，包括，1.高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理當高頻段有幾個小時間常數(shù)（,）時，用一個小時間常數(shù)來代替，并且有 2. 高階系統(tǒng)降階近似處理考察一般情況下的高階系統(tǒng) 系統(tǒng)穩(wěn)定，即存在 則忽略系統(tǒng)的高次項，將系統(tǒng)簡化為3. 低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理當系統(tǒng)中存在時間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時，存在近似條件,或者則慣性環(huán)節(jié)可以等效為，事實上，等效后的相角裕量減小了，也就是說如果等效后

9、的系統(tǒng)可以穩(wěn)定的話，等效前的系統(tǒng)一定穩(wěn)定，這也充分證明了這種等效是可用的。2-4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1.設(shè)計內(nèi)環(huán)的電流調(diào)節(jié)器首先要對電流內(nèi)環(huán)進行簡化，忽略反電動勢的影響，再將內(nèi)環(huán)等效為單位負反饋，進行小慣性環(huán)節(jié)近似處理，可以得到 圖2-2 電流內(nèi)環(huán)的簡化其中 和 一般都比小得多，可以近似為一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為設(shè)計出電流調(diào)節(jié)器后將電流環(huán)作等效處理 而內(nèi)環(huán)可以簡化為典型型環(huán)節(jié)，從而在穩(wěn)態(tài)性能上得到電流無靜差，在暫態(tài)性能上有較強的跟蹤能力。系統(tǒng)參數(shù)要求滿足 由性能指標就可以求出系統(tǒng)的開環(huán)增益和調(diào)節(jié)器的比例增益系數(shù) 由增益和時間常數(shù)設(shè)計出調(diào)節(jié)器 圖2-3 ACR和ASR所用的帶濾波PI

10、調(diào)節(jié)器 最后將電流環(huán)簡化成一個典型型系統(tǒng)，作為外環(huán)的一個環(huán)節(jié) 2.設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 進行小時間常數(shù)近似處理圖2-4 簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型系統(tǒng)，以保證轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾動能力。再計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例增益和時間常數(shù) 從而得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電阻和電容值第三章 模型參數(shù)測定和模型建立3-1系統(tǒng)模型參數(shù)測定實驗步驟和原理名稱測量方法注意事項實測值電樞內(nèi)阻接通電源，施加給定，使電樞電流保持在1A，但是斷開勵磁回路和負載回路，在電機靜止的狀態(tài)下，手動旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)軸，在互成夾角的三點測出電樞內(nèi)阻的大小，然后取平均值。1. 理論上在不加勵磁磁通時電機是不會旋轉(zhuǎn)的，但有時電機會因為剩磁而出現(xiàn)緩慢旋轉(zhuǎn)，這時要反接勵

11、磁磁通去掉剩磁載接回原來的電路。2. 三次測量的差值反映了電機制作的規(guī)整度，主要收電機的轉(zhuǎn)軸偏離中心程度和換向片和電刷的接觸電阻。電樞端電壓,電源端電壓電樞電流電動勢轉(zhuǎn)速系數(shù)利用電機的機械特性方程聯(lián)立，消去未知的電樞回路電阻，僅由兩次測量的電壓差值和轉(zhuǎn)速差值求出電動勢轉(zhuǎn)速系數(shù)1. 兩組數(shù)據(jù)通過改變給定電壓得到，只需要測端電壓和轉(zhuǎn)速，不需要關(guān)心電樞電流，勵磁回路也要。2. 不需要關(guān)心電樞電流的前提是測量幾組數(shù)據(jù)時電樞回路的電阻不能改變，特別是串接的起動電阻。3. 磁通量顯然會影響轉(zhuǎn)速系數(shù)，也不能改變。電源端電壓電機轉(zhuǎn)速電源等效內(nèi)阻斷開勵磁回路，固定給定電壓在0.2A到0.8A間（實驗中是0.5A

12、），改變電樞串聯(lián)回路的阻值，得到兩組端電壓和電樞電流的值1. 勵磁回路和負載回路要斷開。2. 測電源內(nèi)阻的方法是伏安法，電樞的端電壓和電流的端電壓也是電源等效內(nèi)阻的端電壓和端電流，用兩組數(shù)據(jù)聯(lián)立電源端電壓電樞電流電源放大系數(shù)保持勵磁回路斷開，分級調(diào)節(jié)給定電壓，并保持電樞電流始終小于1A（實驗中為了計算方便，保持電樞電流始終在0.5A），利用求出一組，再取平均值1. 斷開勵磁后要小心調(diào)整給定電壓，否則很容易過流。2. 記錄每一次測出數(shù)據(jù)時的電流。3. 測量組數(shù)分布要調(diào)整好，例如如果要研究電源的飽和現(xiàn)象要在電壓都較大時多取點。電樞電流電源端電壓給定電壓平波電感內(nèi)阻不通電的情況下，用萬用表直接測電感

13、的阻值。1. 不能通電，此時是由萬用表本身供電的。電感內(nèi)阻電樞回路總電阻電磁時間常數(shù)用電感表測出電樞回路的總電感再除以總電阻，即1.測量電感時所測電感在的回路要斷開，否則就會偏小，相當于并聯(lián)了其他電感電樞電感平波電感電樞回路總電阻機電時間常數(shù)連上勵磁回路，斷開負載回路，突加給定使電機的峰值電樞電流達到堵轉(zhuǎn)電流（實驗中是1.4A），記錄轉(zhuǎn)速n和時間t的波形圖，利用以下公式可以計算出機電時間常數(shù)1. 分別為堵轉(zhuǎn)電流和空載時的電流。2. 計算圖中陰影部分的面積，方法為3. 機電時間常數(shù)的計算就可以等效為陰影部分面積和堵轉(zhuǎn)電流與空載電流差的商。突加給定的轉(zhuǎn)速變化圖表3-1 各模型參數(shù)的測量方法3-2模

14、型測定實驗的計算分析(1) 測量參數(shù)測量結(jié)果1測量結(jié)果2測量結(jié)果3平均值標準差22.6422.2822.3522.4233 0.1909相對偏差0.966%-0.639%-0.326%表3-2 電樞內(nèi)阻的測量結(jié)果測量結(jié)果的不同主要是由于電機轉(zhuǎn)軸的偏心，導(dǎo)致?lián)Q向片和電樞間接觸或緊或松，接觸電阻或小或大，實際電機運行中還存在氣隙偏心等問題，但是只要對電樞電阻的影響小于就可以忽略。如上表，三次測量結(jié)果和均值的相對偏差都小于1%，考慮三次測量的位置互成，轉(zhuǎn)子偏心對電樞內(nèi)阻的影響可以抵消，所求的電樞內(nèi)阻平均值是可信的(2)測量參數(shù) 計算公式計算參數(shù)/v/v偏差1117560.5440.145515910

15、860.8331.68%0.142118712831.063-0.70%0.141722215301.458-0.98%0.1431平均電動勢系數(shù)表3-3 電動勢系數(shù)的測量結(jié)果 電動勢轉(zhuǎn)速系數(shù)是電動機旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組內(nèi)部切割磁力線所感應(yīng)的電動勢相對于轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)，也稱為發(fā)電系數(shù)或感應(yīng)電動勢系數(shù)。電動勢系數(shù)直接反映了勵磁的強弱，實驗中沒有改變勵磁回路的電阻，所以這個電動勢系數(shù)是一直適用的。 本組數(shù)據(jù)是僅有的一組既測量了 又同時加了勵磁的數(shù)據(jù)，這就意味著這組數(shù)據(jù)可以在某種程度上用來檢驗建立后模型的準確性。 原始數(shù)據(jù)中的和建立模型后仿真得到的結(jié)果又較大差異，這一點有可能是勵磁變化導(dǎo)致的，在后面的模

16、型偏差分析中會做較詳細的討論。 (3)電源等效內(nèi)阻 計算公式計算內(nèi)阻/電源端電壓/V電樞電流/A2050.5102040.6202020.7202000.8101990.9101981.014平均電源內(nèi)阻表3-4 電源內(nèi)阻的測量結(jié)果 通過聯(lián)立電樞回路的KVL方程，利用轉(zhuǎn)速為0，電樞電流與電源端電壓的關(guān)系，消去轉(zhuǎn)速和電樞回路電阻，求電源內(nèi)阻。但是實驗時求取的電樞電流不夠精確，導(dǎo)致求不出精確的電源內(nèi)阻，根據(jù)經(jīng)驗，電源內(nèi)阻在1020之間，所以所得的電阻值可以勉強使用。(4)電源放大系數(shù)計算公式計算結(jié)果給定電壓/V電源端電壓/V電樞電流/A0.437370.5250.0000.525590.5230.

17、0880.638850.5197.6740.7241020.5178.5710.8361220.5151.1630.9221350.5155.3401.0251510.5132.0751.1311650.5113.8211.2541790.5106.0601.3201860.595.2381.5092040.575.5561.7342210.569.7671.8632300.551.8292.1912470.539.5142.5202600.52.6462.8982610.5表3-5 電源放大系數(shù)的測量結(jié)果 飽和區(qū)死 區(qū)線性區(qū) 圖 期望的電源放大系數(shù)關(guān)系 給定電壓和電源輸出電壓的關(guān)系只有在一定

18、范圍內(nèi)才可以被看成一個比例關(guān)系，過小的給定電壓，輸出處于死區(qū)，而過大的給定電壓又會使輸出飽和，輸出電壓的值不再隨給定電壓的增加而增加。通常系統(tǒng)工作在死區(qū)和飽和區(qū)中間的線性區(qū)內(nèi)。由于實驗中給定電壓的范圍沒有選好，導(dǎo)致給定電壓較小時的死區(qū)特性沒有明顯的表示出來。此外實驗區(qū)線中的線性區(qū)也遠不如期望曲線那樣直。 實際上觸發(fā)角控制電壓的關(guān)系如下整流輸出的瞬時電壓和平均電壓為其中為脈沖觸發(fā)延遲角 整流輸出的最大電壓 為一個周期內(nèi)的脈動個數(shù)結(jié)合影響觸發(fā)角的原理，輸出電壓不僅由于器件存在飽和現(xiàn)象和不靈敏現(xiàn)象，同時受電感變化和諧波的影響，使得Ks即使在線性段也有較大的變化。在的關(guān)系中表現(xiàn)為兩者的斜率，這個斜率應(yīng)

19、該隨著的增加而先變大后變小，但在為1V時出現(xiàn)了一些反復(fù)，這應(yīng)該是由于測量過程中的誤差帶來的，是由于在記錄這一點數(shù)據(jù)時沒有將電樞電流調(diào)回0.5A導(dǎo)致的。要得到模型中放大系數(shù)，可以用線性區(qū)中幾組的平均值。線性區(qū)平均250.000151.163106.060153.2353230.088155.34095.238197.674132.075178.571113.821表3-6 的線性化(5) 直接測量得到的量平波電抗器直流電阻/平波電抗器電感/電樞電感/11.67758318 測得平波電抗器的電阻后就可以得到電樞回路的總電阻 由直接測量得到的兩個電感值和電樞回路總電阻就可以得到電機的電磁時間常數(shù) (

20、6) 示波器采集到的轉(zhuǎn)速-時間波形圖 3-1 突加給定后的電機電流響應(yīng)由以上的波形圖可以大致求出系統(tǒng)的機電時間常數(shù)求出陰影部分的面積為縱坐標一格代表 1.4A/4=0.35A 機電時間常數(shù)為綜上，典型話后系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的系數(shù)為電動勢系數(shù)電源放大倍數(shù)電磁時間常數(shù)機電時間常數(shù)失控時間（三相橋式）0.1431 153.23530.02240.15310.00167表3-7 模型參數(shù)的取值系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為圖3-2 V-M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3-3系統(tǒng)模型仿真和誤差分析 利用求取電動勢系數(shù)的轉(zhuǎn)速-給定表和，不同電樞電流對應(yīng)的電源放大系數(shù)表可以對已經(jīng)建立的模型進行檢驗，雖然求電源放大系數(shù)時沒有加入勵磁磁通，電機沒

21、有轉(zhuǎn)速，但鑒于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速帶來的反電動勢不影響電源環(huán)節(jié)的輸入輸出，所以和的關(guān)系是可以使用的。 在已經(jīng)建立的晶閘管-電動機系統(tǒng)模型中改變的值，可以得到/v/v/A/v/0.544835820.741117560.8331278911.1215910861.06316311371.4818712831.458223156022221530模型仿真結(jié)果實驗結(jié)果表3-8 模型靜特性與測得的特性對比圖3-3 模型響應(yīng)和實驗結(jié)果的對比比較可知，由參數(shù)測定得到的模型在轉(zhuǎn)速和電源電壓上偏小，由 下面通過仿真探討模型誤差可能的來源。晶閘管整流器輸出的電源電壓較大時，也是電機轉(zhuǎn)速較高的時候，對應(yīng)的給定電壓也較大，可

22、以看到，實驗數(shù)據(jù)和通過實驗數(shù)據(jù)建立的模型仿真結(jié)果又較大的差異，可能有以下一些原因帶來了模型偏差 實驗中勵磁磁通可能改變了，導(dǎo)致測量轉(zhuǎn)速時的勵磁磁通和建立模型某一參量時的勵磁磁通不相匹配，也就是說在這一模型中電動勢系數(shù)是不合適的。實驗中電樞電壓測量存在偏差，由于電源電壓的測量精度不夠等原因，會影響到模型中電機的機械特性，從而改變給定電壓和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。電源放大系數(shù)的非線性性帶來模型的偏差，由之前的模型計算可以看出，電阻和電感的測量都是相對精確的，但是測量計算得到的電源放大系數(shù)卻隨給定電壓的變化存在明顯的非線性性，這會導(dǎo)致模型中的電源端電壓和實驗中的電源端電壓不一致，從而影響電機的轉(zhuǎn)速。下面對以

23、上三種可能的原因進行討論我們試著改變電動勢系數(shù),觀察在同樣給定下電機轉(zhuǎn)速的變化圖3-4 改變勵磁后的電機起動 可以看到隨著電動勢系數(shù)減小，也就是勵磁磁通減小，電機穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速會有所上升，在0.833V的給定電壓時，實驗得到的轉(zhuǎn)速是1086rpm，電壓為159V，而理論仿真得到的轉(zhuǎn)速和電壓分別為867rpm，和178V，按照我們在電機拖動中德知識，弱磁后系統(tǒng)電壓減小，在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速提高，并符合模型偏差量，結(jié)合，給定電壓較大時（1.465V）時的情況，可以初步判斷，有可能是勵磁磁通變化帶來模型誤差。改變電樞電阻，觀察轉(zhuǎn)速的變化圖3-5 改變電樞電阻后的電機起動（空載/負載）可以看到，在存在負載時

24、，電樞電阻偏大會降低最后的轉(zhuǎn)速，但是計算模型時的電阻只包括電樞內(nèi)阻，電抗阻值和電源內(nèi)阻，實驗時還存在起動電阻沒有完全切除的可能，所以電阻測量的偏差不是模型誤差的來源。改變模型中的電源放大系數(shù)，考慮到模型電源放大系數(shù)的非線性性， 圖 3-6 改變電源放大系數(shù)對轉(zhuǎn)速的影響仿真和實驗時給定電壓0.833V時的轉(zhuǎn)速分別為867rpm和1086rpm，由上圖可以看到Ks的偏大會使轉(zhuǎn)速偏大，實際轉(zhuǎn)速較模型仿真出的轉(zhuǎn)速偏大，可能是模型電源放大系數(shù)偏小帶來的，但這是不合理的，因為在計算平均放大系數(shù)時所用線性段放大系數(shù)都是偏大的，很難想象模型的放大系數(shù)還會出現(xiàn)偏小的情況。綜上所述，模型的偏差是由于得到參數(shù)的實驗

25、和得到轉(zhuǎn)速的實驗勵磁磁通不同帶來，這是可以接受的，因為實際中勵磁磁通本來就會不斷改變。第四章 工程設(shè)計方法設(shè)計和整定轉(zhuǎn)速，電流反饋調(diào)速系統(tǒng)4-1 設(shè)計整定的思路雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一個典型的串級系統(tǒng)，其整定方法和其他串級系統(tǒng)類似，有三種整定方法，一步整定法，兩步整定法和逐步逼近法，本次課程設(shè)計用的是兩步整定法，先整定電流內(nèi)環(huán)，后整定轉(zhuǎn)速外環(huán)。電流內(nèi)環(huán)的要求主要是快速跟隨，轉(zhuǎn)速外環(huán)的主要要求是抗擾動，消除轉(zhuǎn)速靜差，由此確定內(nèi)環(huán)簡化為典型型系統(tǒng)，外環(huán)為典型型。實際系統(tǒng)和理論系統(tǒng)不同，實際系統(tǒng)必須有濾波環(huán)節(jié)以減少高頻干擾信號，在這個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中還必須有電流濾波，轉(zhuǎn)速濾波和給定濾波三個環(huán)節(jié)，同時為了保

26、證綜合點處參與運算的量相位相同，同樣的濾波（一階慣性）環(huán)節(jié)加在反饋回路是有必要的。4-2 電流調(diào)節(jié)器的整定和電流內(nèi)環(huán)的校正，簡化 已經(jīng)計算得到的系統(tǒng)模型參數(shù)如下電動勢系數(shù)電源放大倍數(shù)/s電磁時間常數(shù)/s機電時間常數(shù)/s失控時間（三相橋式）/s電樞回路總電阻/0.1431 153.23530.02240.15310.0016748表4-1 模型參數(shù)要求的性能指標和已知條件如下性能指標靜態(tài)靜差率<5%調(diào)速范圍3動態(tài)輸入超調(diào)量5%擾動超調(diào)量10%已知條件限幅值最大速度給定5V最大電流給定5V電流反饋強度5V/1.4A速度反饋強度5V/1450rpm濾波環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)起輸入電阻 調(diào)節(jié)器濾波電容表4-2

27、 性能指標由 所以電流內(nèi)環(huán)簡化為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為檢查電源電壓的抗擾能力查看抗擾能力表可知，可以滿足題目的要求電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)要求起動超調(diào)量小于5%，查表，取(為電流環(huán)開環(huán)增益）所以電流調(diào)節(jié)器的開環(huán)增益為得到電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)時間常數(shù)又有查表可知電流內(nèi)環(huán)等效的典型型系統(tǒng)超調(diào)量 滿足系統(tǒng)要求而對于電流調(diào)節(jié)器有所以 圖4-1 電流內(nèi)環(huán)的起動波形4-3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的整定和轉(zhuǎn)速環(huán)的校正，簡化電流環(huán)等效時間常數(shù)根據(jù)測速發(fā)電機的紋波情況，可以取確定轉(zhuǎn)速環(huán)的小時間常數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為要求的跟隨和抗擾動性能較好，選取系統(tǒng)開環(huán)傳函的中頻帶寬，則ASR的超前時間常數(shù)為同時求

28、出轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為對于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有 所以由中頻帶寬h=5查表得到轉(zhuǎn)速超調(diào)量為37.6%，但實際上由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動時出現(xiàn)飽和，其超調(diào)量遠遠達不到37.6%圖 4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)的起動波形圖轉(zhuǎn)速超調(diào)量得到計算出的轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR ASR 而在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器都是PI調(diào)節(jié)器，電路圖可以參考圖2-34-4系統(tǒng)的實際運行整定計算得到理論的參數(shù)后，進行simulink仿真發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流的超調(diào)量都滿足系統(tǒng)性能要求，進入實驗室，對系統(tǒng)進行整定。 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1

29、UnU*iLMMTGUPE 圖 4-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)步驟整定對象和目的具體方法注意事項1設(shè)定ACR的輸出限幅值將手動的負給定直接施加給構(gòu)成ACR的運放反向端。計算ACR的限幅值，等于最大控制電壓除以它對應(yīng)的電源放大系數(shù)調(diào)節(jié)運放反向端和輸出端所連的電阻，直到運放輸出端輸出電壓恰好為預(yù)設(shè)的限幅值。.這個環(huán)節(jié)是單元測試，除了ACR以外的環(huán)節(jié)都不接入給定.ACR的給定值多大不重要，但必須是負給定，這樣在正式運行時的限幅值才會正確。2設(shè)定ASR的輸出限幅值方法和步驟1相同，只是限幅值不同，是5V。.對ASR施加的給定必須是正給定。3調(diào)節(jié)好電流反饋系數(shù)計算電流內(nèi)環(huán)的反饋系數(shù)將手動給定接入ACR的反向輸入

30、端，ACR輸出端接晶閘管電源，電機不施加勵磁。手動給定一個電壓，等于最大給定的一半，待內(nèi)環(huán)穩(wěn)定后測量電樞電流，調(diào)節(jié)三相互感傳感器的阻值使電樞電流為堵轉(zhuǎn)電流的一半即可.接入ACR的手動輸入須為負給定。.調(diào)節(jié)反饋系數(shù)所用的給定電壓只是最大給定電壓的一半，這樣防止了過大的電流沖擊系統(tǒng)，它的依據(jù)是傳感器的輸入輸出關(guān)系一定是基本線性的。4系統(tǒng)投入運行并調(diào)整轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)通過改變阻值和容值將ASR和ACR的增益和時間常數(shù)設(shè)置好，先用預(yù)先計算出的參數(shù)，系統(tǒng)投運后再修改。將雙閉環(huán)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)按圖連接好，加入勵磁磁通和負載，反饋線也接好。將給定電壓調(diào)到最大的5V，施加給定，用示波器觀察電樞電流的波形是否穩(wěn)定，若

31、不穩(wěn)定則減小ASR給定端輸入電阻或增大給定-輸出電容值，直到波形穩(wěn)定，并記錄此時的ASR電阻電容值。通過調(diào)節(jié)負載使電樞電流穩(wěn)定在大約1.05A，也就是額定工作點，然后調(diào)節(jié)速度反饋阻值，直到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1450rpm處完成。.連接系統(tǒng)時，要注意無論是電流環(huán)還是轉(zhuǎn)速環(huán)都要構(gòu)成負反饋，也就是反饋，輸入給定要反號，電流環(huán)給定為-，反饋為+即可；轉(zhuǎn)速環(huán)給定為+，則轉(zhuǎn)速反饋須與ASR端反接才能構(gòu)成負反饋。.系統(tǒng)須要穩(wěn)定運行，也就轉(zhuǎn)速不出現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩，否則整個系統(tǒng)的參數(shù)都會不斷振蕩。.系統(tǒng)要保證穩(wěn)態(tài)精度，也就是兩個PI調(diào)節(jié)器的增益不能太小5.整定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流暫態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)投入運行后在線調(diào)整ASR的比例和

32、積分參數(shù)，振蕩劇烈時要減小ASR輸入端電阻，減小增益，超調(diào)量大時則要增大電阻，增大電容也有同樣的效果，最后要將轉(zhuǎn)速超調(diào)量控制在10%內(nèi)，且保證空載到額定負載系統(tǒng)都能穩(wěn)定。ACR的調(diào)整方式基本相同，主要通過調(diào)節(jié)電容值使電流的波形呈現(xiàn)矩形狀，達到準時間最優(yōu)控制的目的，電流超調(diào)量要控制在5%以內(nèi).先整定轉(zhuǎn)速再整定電流。.電機整定后的ASR，ACR參數(shù)和理論計算的參數(shù)存在相當大的差異，一方面是由于實驗電機的特性，如電樞電阻大，電源放大系數(shù)的非線性性，另一方面也是由于建模時的簡化有不少如小時間常數(shù)，線性化，忽略反電動勢影響等是不適合于實驗中電機的。5測定兩條系統(tǒng)的靜特性曲線將整定后的參數(shù)調(diào)整好并記錄下來

33、。調(diào)節(jié)電機的給定分別到5V，改變負載電機串入的電阻值，記錄電機的電流和轉(zhuǎn)速。改變電機給定電壓到1.67V，將以上步驟重復(fù)。靜特性數(shù)據(jù)和曲線見.測定過程中的操作和靜特性曲線的定義緊密相關(guān)，給定電壓，電樞電阻和勵磁磁通均不能改變，利用負載電機特性與電機特性的穩(wěn)定工作點來確定一組靜特性。6得到系統(tǒng)的電流，轉(zhuǎn)速起動波形將給定調(diào)到最大，突加給定，在示波器上顯示轉(zhuǎn)速（)和電樞電流（)的起動波形，得到調(diào)整后系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)。轉(zhuǎn)速電流起動波形見.繼續(xù)調(diào)整ASR，ACR的電容得到較光滑的曲線。表4-3 系統(tǒng)的整定測定的靜特性數(shù)據(jù)為/V/A/rpm4.9850.514580.614610.714600.814

34、590.914551.014541.6750.24560.34560.44540.54550.64540.7453表4-4 系統(tǒng)的靜特性原始數(shù)據(jù)圖4-3 系統(tǒng)的靜特性曲線系統(tǒng)動態(tài)起動波形如下 轉(zhuǎn)速電流圖4-4 雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流轉(zhuǎn)速起動波形調(diào)整后的系統(tǒng)的ASR，ACR參數(shù)為ASRACR/23.710.852.512.74-5 關(guān)于ASR和ACR調(diào)節(jié)器的進一步探討圖4-5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的simulink仿真和起動波形圖用計算出來的參數(shù)調(diào)節(jié)測定出的V-M模型，轉(zhuǎn)速，電流超調(diào)量都滿足要求。ASRACR/計算值3270.2665.34.2最終整定值23.710.852.512.7 通過4-2和4-3中

35、計算得到的ASR和ACR參數(shù)和最終整定出的參數(shù)有較大的區(qū)別，這個區(qū)別有可能是計算中的等效和簡化造成的，當然實際調(diào)試過程中也存在很多偶然性，所以這里只探討參數(shù)數(shù)量級上的差別，不探討具體差多少。為了簡化設(shè)計工作，我們在計算電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)時忽略了反電動勢的影響，但是反電動勢和轉(zhuǎn)速成正比，雙閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)起動過程中反電動勢的變化會引起起動電流的波動，并且會給電流帶來靜差。忽略轉(zhuǎn)速對電流的影響會減少電流波動，影響ACR和ASR的比例，時間常數(shù)。忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件是實驗中用到的是小電機，機電時間常數(shù)偏小，又由于電樞電流偏小（)，所用的電感值小，電樞電阻大，所以電磁時間常數(shù)也較小，所以忽略反電動勢

36、的條件可能使不穩(wěn)定的，會帶來較大的誤差。小慣性環(huán)節(jié)的近似，在得到電流內(nèi)環(huán)的簡化中小慣性環(huán)節(jié)近似的條件是由于實際系統(tǒng)階數(shù)比簡化系統(tǒng)高，所以簡化系統(tǒng)的伯德圖截止頻率較低，這個條件不一定滿足。高階系統(tǒng)低階化成為一階慣性環(huán)節(jié)，加快了電流的跟隨作用，這樣設(shè)計出來的系統(tǒng)超調(diào)量會減小，實際運行會出現(xiàn)更大的超調(diào)。計算ASR和ACR參數(shù)所用的方法主要是針對大電機的，大電機的電感大，電樞電阻?。ㄒ韵拢姶艜r間常數(shù)大，機電時間常數(shù)也大，而實驗中用到的是小電機，電樞電阻大（），而且電樞電流也小，所以計算出的參數(shù)只能作為參考。第五章 設(shè)計分析和心得總結(jié)5-1實驗中出現(xiàn)的問題模型參數(shù)測定實驗和工程方法整定過程中出現(xiàn)的問

37、題都已經(jīng)在表3-1和表4-1中列出了。投入運行后實驗中出現(xiàn)了一系列問題，如轉(zhuǎn)速反饋線接反。轉(zhuǎn)速反饋環(huán)必須構(gòu)成負反饋，一旦環(huán)內(nèi)沒有一個環(huán)節(jié)取反，系統(tǒng)就會失去對轉(zhuǎn)速的控制作用，轉(zhuǎn)速很快會上升到2200rpm左右。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電容過大。在整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)時，為了將系統(tǒng)的波動消除，超調(diào)減少，會出現(xiàn)矯枉過正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電容過大，積分作用變?nèi)?，系統(tǒng)消除靜差的能力小時間，最大給定電壓時調(diào)不到額定轉(zhuǎn)速上。調(diào)節(jié)器調(diào)整不當，引起輸出電流和轉(zhuǎn)速波形出現(xiàn)大量紋波，主要是要把握ASR和ACR阻值，容值的大概范圍，在這個范圍內(nèi)調(diào)整。在給定電壓太小時，空載或者負載過輕時出現(xiàn)了電流斷續(xù)的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速也隨之大幅波動。系統(tǒng)的調(diào)速范圍為3，也就給定電壓對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速不能低于483rpm。同樣是空載，加入負載電機，切除負載電阻和直接切除負載電機對系統(tǒng)靜特性的影響，即使扣除負載電機存在空載轉(zhuǎn)矩，仍然不同，這可能是負載電機等效成拖動端的模型是一個阻抗模型而不是一個簡單的電阻的緣故。