雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及其仿真畢業(yè)用

.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及其仿真班級：自動化學(xué)號：姓名：目錄1前言…………………31.1課題研究的意義…………31.2課題研究的背景…………32總體設(shè)計方案…………32.1MATLAB仿真軟件介紹…………………32.2設(shè)計目標(biāo)…………………42.3系統(tǒng)理論設(shè)計…………52.4仿真實驗………………92.5仿真結(jié)果……………103結(jié)論……………124參考文獻(xiàn)……………131前言1.1課題研究的意義現(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)以各類電動機(jī)為控制對象，以計算機(jī)和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，以自動控制理論和信息處理理論為基礎(chǔ)，以計算機(jī)數(shù)字仿真和計算機(jī)輔助設(shè)計為研究和開發(fā)的工具。直調(diào)調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。且直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以加深直流電機(jī)控制原理理解有很重要的意義[1]。1.2課題研究的背景電力電子技術(shù)是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器,電力電機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,促使了電機(jī)控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從20世紀(jì)60年代第一代電力電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復(fù)合場控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓,多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進(jìn),性能有了飛速提高,在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們在互相競爭,新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。同時電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動機(jī)控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化[2]。2總體設(shè)計方案2.1MATLAB仿真軟件介紹本設(shè)計所采用的仿真軟件是MATLAB。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB應(yīng)用非常之廣泛！MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。主要的優(yōu)勢特點(diǎn)為：①高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來；②具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；③友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；④功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等)，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。2.2設(shè)計目標(biāo)設(shè)計一個雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調(diào)速范圍D=10，要求:靜差率；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量QUOTE，電流脈動系數(shù)QUOTE；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量QUOTE[1][3]。直流電動機(jī)數(shù)據(jù)：額定功率：29.92KW，額定電壓：220V，額定電流：136A，額定轉(zhuǎn)速：1460r/m，QUOTE允許過載倍數(shù)：QUOTE晶閘管裝置放大系數(shù)：QUOTE電樞回路總電阻：QUOTE時間常數(shù)：機(jī)電時間常數(shù)：QUOTE電磁時間常數(shù):QUOTE電流反饋系數(shù)：QUOTE轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：QUOTE轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：QUOTE，QUOTEh=52.3系統(tǒng)理論設(shè)計：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，達(dá)到本課程設(shè)計的要求。圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(1)確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)QUOTE：三相電路的平均失控時間QUOTE=0.0017s電流濾波時間常數(shù)QUOTE：QUOTE=0.002s電流環(huán)小時間常數(shù)之和QUOTE：按小時間常數(shù)近似處理，取為：QUOTE=QUOTE0.0037s(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求QUOTE，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：QUOTE檢查對電源電壓的抗擾性能：QUOTE符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標(biāo)都是可以接受的。(3)計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：QUOTE電流環(huán)開環(huán)增益：要求QUOTE時，按表1，應(yīng)取QUOTE，因此：于是，ACR的比例系統(tǒng)為：QUOTE(4)檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率：QUOTE校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為：QUOTE滿足近似條件校驗忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為：QUOTE滿足近似條件校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：QUOTE滿足近似條件(5)計算調(diào)節(jié)器電阻電容按所用的運(yùn)算放大器取得各電容和電阻值為：QUOTE取QUOTEQUOTE取QUOTEQUOTE取QUOTE按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：QUOTE（見表1）滿足設(shè)計要求。2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)QUOTE。取QUOTE，則：QUOTE轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)QUOTE。根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)波紋情況，取：轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)QUOTE。按小時間常數(shù)近似處理，?。海?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：QUOTE（3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：QUOTE則可得ASR的比例系數(shù)為：QUOTE（4）校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為：QUOTE電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：QUOTE滿足簡化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：QUOTE滿足簡化條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運(yùn)算放大器取QUOTE。則：各電容和電阻值為：QUOTE取QUOTEQUOTE取QUOTEQUOTE取QUOTE（6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，由書表3-4可以查得：QUOTE，這并不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。ASR退飽和計算如下：QUOTE（3-1）當(dāng)時，由書表3-5可以查得QUOTE,代入式（3-1）得QUOTE滿足設(shè)計要求。表1典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT阻尼比QUOTE超調(diào)量QUOTE上升時間QUOTE峰值時間QUOTE相角穩(wěn)定裕度QUOTE截至頻率2.4仿真實驗為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(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)反饋和電流負(fù)反饋，如圖2所示。圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2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)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，如圖2所示。用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如圖3所示：圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖2.5仿真結(jié)果圖4電流環(huán)無超調(diào)的仿真結(jié)果圖4是以KT=0.25的關(guān)系式按典型I型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到了PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為QUOTE，很快的得到了如圖四所示的仿真結(jié)果，無超調(diào)，但上升時間長。圖5電流環(huán)超調(diào)量較大的仿真結(jié)果圖5是以KT=1.0的關(guān)系式按典型I型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到了PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為QUOTE，很快的得到了如圖四所示的仿真結(jié)果，超調(diào)大，但上升時間短。圖6高速啟動波形圖圖6中實線表示電流，虛線表示轉(zhuǎn)速，是以轉(zhuǎn)速環(huán)的傳遞函數(shù)為QUOTE，以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為QUOTE得到的仿真結(jié)果圖，啟動時間長，退飽和超調(diào)量減少。觀察圖4和圖5可知，在直流電動機(jī)的橫流升速階段，電流值低于額定值，其原因電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動機(jī)反電動勢的擾動。3結(jié)論通過對雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真波形的分析，可知其起動過程可分三個階段來：第Ⅰ階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達(dá)到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第Ⅱ階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值

n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第Ⅲ階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達(dá)到最大值后，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，電機(jī)才開始在負(fù)載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用[4]。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為：1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用①轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。②對負(fù)載變化起抗擾作用。③其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2．電流調(diào)節(jié)器的作用①作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。②對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。③在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程④當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常