轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)MATLABSimulink

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)任務(wù)書1 .設(shè)計(jì)題目轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2 .設(shè)計(jì)任務(wù)某品閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路,基本數(shù)據(jù)為：直流電動(dòng)機(jī)：U=440V,In=365A,nN=950r/min,R=0.04,電樞電路總電阻R=0.0825,電樞電路總電感L=3.0mH,電流允許過(guò)載倍數(shù)=1.5,折算到電動(dòng)機(jī)飛輪慣量GD=20NrH品閘管整流裝置放大倍數(shù)K=40,滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s電流反饋系數(shù)=0.274V/A(10V/1.5IN)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.0158Vmin/r(10V/nN)濾波時(shí)間常數(shù)取Toi=0.002s,

2、Ton=0.01s=15乂調(diào)節(jié)器4U入電阻R=40k3 .設(shè)計(jì)要求(1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差(2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量5%采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋使轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于0目錄任務(wù)書I目錄II前言1第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理21.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹21.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成31.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性41.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型51.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型51.4.2 起動(dòng)過(guò)程分析6第二章調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)92.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則92.2 I型系統(tǒng)與II型系統(tǒng)的性能比較102.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)112.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)和結(jié)構(gòu)的選擇

3、112.3.2 時(shí)間常數(shù)的計(jì)算122.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)132.3.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)132.3.5 校驗(yàn)近似條件142.3.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容152.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)152.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)152.4.2 確定時(shí)間常數(shù)172.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)172.4.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)172.4.5 檢驗(yàn)近似條件182.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容19第三章Simulink仿真203.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì)203.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)213.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)22第四章設(shè)計(jì)心得24參考文獻(xiàn)25前言許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑

4、調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]

5、環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，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。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程。隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動(dòng)裝

6、置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)調(diào)速，因此我們就要對(duì)這樣的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由品閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，檢測(cè)電路又包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分。第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的

7、一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。速起動(dòng)

8、過(guò)程圖1調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值,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)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，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。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖1-（b）所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某

9、個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(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，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，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)行審級(jí)連接，如圖2所示，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，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制品閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)

10、節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR-般都采用PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中Un、U轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；Ui、U一電流給定電壓和電流反饋電壓；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)；T電流互感器;UPI電力電子變換器1.3

11、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性U*n*Ui._ASRUiACRUctUPE+義-IdUd041/Ce-Un+畢T匕|興萍T亡用心圖3:雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和一一輸出達(dá)到限幅值；不飽和一一輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)太時(shí)總是為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

12、器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，Un*二Un=二n二-n0(1-1)Ui*=Ui=：1d(1-2)*Un由式(1-1)可得：n=0=n0*Uim從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，Ui<可知1d<1dm,這就是說(shuō),CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到1d=1dm。而1dm,一般都是大于額定電流"的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。2 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和*、，一，Uim一這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

13、。穩(wěn)態(tài)時(shí)：*im(1-3)其中，最大電流1dm取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于n始。的情況，因?yàn)槿绻?%,則UnUn,ASR等退出飽和狀態(tài)。1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中Wasr(S)和Wacr(S)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來(lái)。圖5:雙閉環(huán)直流調(diào)

14、速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1.4.2 起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Ugn由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓Ugi、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓Uk、可控整流器輸出電壓Ud、電動(dòng)機(jī)電樞電流1a和轉(zhuǎn)速n的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過(guò)程如圖28所示。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR空歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成I、H、田三個(gè)階段。圖6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓Ugn時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動(dòng)機(jī)還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)（n=0）,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn=0,這時(shí)，AUn=Ugn-Ufn很大，使ASR的輸出突增為Ugio,ACR的輸出為Uko,可

15、控整流器的輸出為Udo,使電樞電流1a迅速增加。當(dāng)增加到1a至11（負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達(dá)到限幅值Ugim,從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值1am（在這過(guò)程中Uk，Ud的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與ACR勺給定電壓基本上是相等的，即Ugim：Ufi=-1am(1-3)式中，p電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR勺輸出限幅值正是按這個(gè)要求來(lái)整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值1am開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流

16、調(diào)節(jié)。由于電流1a保持恒定值1am,即系統(tǒng)的加速度dn/dt為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由Ud=lamR工+C，n知，Ud也線性增加，這就要求Uk也要線性增加，故在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。開始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR勺給定電壓Ugn與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn相平衡，輸入偏差A(yù)Un等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Ugim,所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流1am下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，Ufn>Q"Un<0,使ASR!出飽和，其輸出電壓（也就是ACR勺給定電壓）Ug

17、i才從限幅值降下來(lái)，”與Ud也隨之降了下來(lái)，但是，由于1a仍大于負(fù)載電流IL,在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到1a3L時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個(gè)階段中ASRfACRW時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使1a盡快地跟隨ASR俞出Ugi的變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值ng,電樞電流1a等于負(fù)載電流IL,ASR和ACR勺輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為Ugi=Ufi=：IL(1-4)ACR勺輸出電壓為CengIlR三Ks(1-5)由上述可

18、知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過(guò)程的大部分時(shí)間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過(guò)程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：(1)飽和非線形控制：隨著ASR勺飽和與不飽和，整個(gè)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(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線形控制理論來(lái)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。(2)轉(zhuǎn)速超調(diào)：

19、當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR*用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。(3)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過(guò)程I、R兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。第二章調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)2.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原

20、則為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問(wèn)題：1。保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2。保證最優(yōu)的穩(wěn)定時(shí)間；3。減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問(wèn)題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：1 .概念清楚、易懂；2 .計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；3 .不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4 .能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)明的計(jì)算公式；5 .適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)

21、節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。2.2 I型系統(tǒng)與n型系統(tǒng)的性能比較許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為:nsr|TjS1i1根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、I型、II型系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的，而m型及m型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型、II型系統(tǒng)，典型的I型、II型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為W(s)Ks(Ts1)W(s)K(s1

22、)s2(Ts1)般說(shuō)來(lái)典型I型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,(2-1)(2-2)但抗憂性能差；而典型n型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖?，在轉(zhuǎn)速-電流Word資料雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問(wèn)題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為I型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差是最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計(jì)為R型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts和電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取TEi=Ts+Toi。這樣，

23、經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)，同理，經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象形如式(2-1)。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成R型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成PI型調(diào)節(jié)器，如下式所示：(s1)/CC、W(s)=K(2-3)s2.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)和結(jié)構(gòu)的選擇在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即AE=0。這時(shí)，電流環(huán)如圖7所示。圖7電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是：式中ci電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同

24、時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s)/P,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。*圖8等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)最后，由于Ts和Toi一般都比Ti小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為%i=Ts+Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖8U*i(s)+圖8小慣性環(huán)節(jié)的近似處理圖2-23c2.3.2 時(shí)間常數(shù)的計(jì)算1、直流電機(jī)參數(shù)2、整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s。3、電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s。4、電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T±=Ts+1i=0。0017s+0。002s=0.0037s5、電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)T=L=0.003=0.0364R0.08256、電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)

25、電時(shí)間常數(shù)TmGD2R375CeCm1292.7*0.0825375*0.4478*0.4478*30兀二0.14852.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)要求電流無(wú)靜差，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。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型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成(2-5)_Ki(is1)is式中Ki一電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);1電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：工="吧=9.84,參照

26、典型I型系統(tǒng)動(dòng)T-0.0037態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的2.3.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：=T=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求a<5%寸，應(yīng)取KEi=0.5,因此Ki0.50.5=135.1s，T、0.0037于是，ACR勺比例系數(shù)為：KiiR135.10.03640.0825K二一二二0.3702Ks-400.02742.3.5 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：切ci=K=135.1s-1;晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:113TT_30.0017s=196.1s滿足近似條件忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件:滿足近似條件I

27、113=31=40.804'T涓0.1485m0.0364電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:113TsTOi.0.00170.02=180.8滿足近似條件2.3.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容圖9PI型電路調(diào)節(jié)器的組成按所用運(yùn)算放大器取R=40kC,各電阻和電容值為：Ri=KiR0=0.3702m40kC=14.82kC取15kCi_0.0364R一151032.4F取2.4FC°i=曹=40嚅2午取。山2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)下的輸入重應(yīng)為U(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為Id(s

28、)Wii(s)Ui*(S)=:用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖10所示和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成U*n(s)/«,再把時(shí)間常數(shù)為1/K和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近圖10用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖為圖11圖11等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖2.4.2 確定時(shí)間常數(shù)1Ki1、電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/Ki。由電流環(huán)參數(shù)可知KEi=0.5,則=2T%,=20.0037=0.0074s2、轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01S3、轉(zhuǎn)速環(huán)

29、小時(shí)間常數(shù)飛no按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取.1TTxn=T0n=0.00740.01=0.0174sKi2.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)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n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&應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Kn(nS1)Wasr(S)一-nS式中K轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。2.4.4 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

30、,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:n=hT%n=50.0174=0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為:Knh1612_2=222hT、n250.0174_2=396.4sASR的比例系數(shù)為:Kn(h1)52hRTn60.2740.44780.1485=48.2250.01580.08250.01742.4.5檢驗(yàn)近似條件Ki轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為cn=N=Kn-n=396.40.087=34.5s1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為1Ki,135=63.7s3T30.0037滿足近似條件2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為1135.1138.7s30.01滿足近似條件2.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖12PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

31、組成取R0=40kQ,貝URn=KnRo=48.2M40kC=1928kC取1928kC；Cn=0.0873F=0.0451F取0.045-F;Rn192810Con4TonR40.0140103F=1F取1F當(dāng)h=5時(shí)，查詢典型R型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的表格可以看出0n=37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要添加微分負(fù)反饋:4h2Th1,4520.0174=0.0638s51、竇.6，取1.=上=0.01=6.25kc取6.25kCCdn1.6葉第三章Simulink仿真3.1電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì)校正后電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)和相關(guān)計(jì)算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖：圖13電流環(huán)的仿真模型圖14電流環(huán)的仿真結(jié)果在matlab中搭建好系統(tǒng)校正后電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)和相關(guān)計(jì)算,的模型，如下圖：圖15轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖16轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真結(jié)果3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)WLQ689芭dI.擊000280圖18雙閉環(huán)的仿真結(jié)果第四章設(shè)計(jì)心得通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我基本上掌握了直