轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

./目錄第1章概述11.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義11.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求1第2章原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及穩(wěn)定性的分析22.1原系統(tǒng)的工作原理22.2原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖32.3閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)的判斷32.4相角穩(wěn)定裕度γ的判斷4第3章調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及仿真53.1調(diào)節(jié)器的選擇53.2PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)53.3校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖83.4系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖及測(cè)試結(jié)果8第4章課程設(shè)計(jì)總結(jié)9參考文獻(xiàn) 10轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、概述1.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo),通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)<包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)>。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合,采用單閉環(huán)系統(tǒng),而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋,電流反饋,電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。在對(duì)調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域常利用直流電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力,但直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求,可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度,而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的,為了消除系統(tǒng)的靜差,可用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器..反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是要想維持系統(tǒng)中的某個(gè)物理量基本不變,就引用該量的負(fù)反饋信號(hào)去與恒值給定相比較,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說,若想提高靜態(tài)指標(biāo),就得提高靜特性硬度,也就是希望轉(zhuǎn)速在負(fù)載電流變化時(shí)或受到擾動(dòng)時(shí)基本不變。要想維持轉(zhuǎn)速這一物理量不變,最直接和有效的方發(fā)就是采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=3KW,=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25。主回路總電阻R=2.5,電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.017s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.075s。三相橋式整流電路,Ks=40。測(cè)速反饋系數(shù)=0.07。調(diào)速指標(biāo)：D=30,S=10%。設(shè)計(jì)要求：〔1閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定〔2在給定和擾動(dòng)信號(hào)作用下,穩(wěn)態(tài)誤差為零。設(shè)計(jì)任務(wù)：

〔1繪制原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖；〔2調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；〔3繪制校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖；〔4撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書。2、原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及穩(wěn)定性的分析2.1原系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與受控對(duì)象之間既有順向作用又有一個(gè)反饋?zhàn)饔玫目刂葡到y(tǒng),實(shí)際工程常是負(fù)反饋閉環(huán)控制。工程領(lǐng)域的恒值控制系統(tǒng)通常是單閉環(huán)控制系統(tǒng)。例如：水塔的水位控制系統(tǒng)；電源恒壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)；電冰箱的恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)；加熱爐的爐溫控制系統(tǒng)；測(cè)速反饋的單閉環(huán)控制系統(tǒng)等。單閉環(huán)控制系統(tǒng)是最重要最基本的結(jié)構(gòu)組成。引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號(hào)以后,放大器的輸入信號(hào)是給定信號(hào)和反饋信號(hào)之差,即。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載增加時(shí),電樞電阻壓降必然增大。若是開環(huán)系統(tǒng),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速只能下降,但是在閉環(huán)系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速稍有降落,反饋電壓隨之下降,接著是上述調(diào)節(jié)過程是當(dāng)負(fù)載增加〔或降低時(shí),相應(yīng)地整流電壓就提高〔或減小,從而補(bǔ)償?shù)綦妱?dòng)機(jī)電樞回路電阻電壓的增量,維持電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)E〔或轉(zhuǎn)速n幾乎不變。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng),它具有三個(gè)基本特征。一,只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng),其被調(diào)量仍是有靜差的。二,反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng),服從給定。三,系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)精度。圖2.1是用集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)。圖2.1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。如圖2.2：2.5<2.5<>Kp圖2.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.3閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)的判斷電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=3KW,=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25。主回路總電阻R=2.5,電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.017s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.075s。三相橋式整流電路,Ks=40。測(cè)速反饋系數(shù)=0.07。調(diào)速指標(biāo)：D=30,S=10%。三相橋式電路的失控時(shí)間Ts=0.00167s。系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：而按照穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求,額定負(fù)載時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為：脈寬調(diào)速系統(tǒng)餓開環(huán)額定轉(zhuǎn)速為：先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為了保持穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo),閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足顯然,系統(tǒng)不能在滿足穩(wěn)態(tài)性能的條件下運(yùn)行。相角穩(wěn)定裕度γ的判斷未校正前的系統(tǒng)的開環(huán)傳函為其Bode圖為圖2.3所示圖2.3校正前的伯德圖由圖2.3可知相角穩(wěn)定裕度γ和增益裕度GM都是負(fù)值,所以原閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、調(diào)節(jié)器的選擇及設(shè)計(jì)3.1調(diào)節(jié)器的選擇在設(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,這時(shí),必須設(shè)計(jì)一個(gè)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置,用它來改造系統(tǒng),使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面要求。動(dòng)態(tài)校正的方法很多,而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說,能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中,最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單,也容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),由于其傳遞函數(shù)的階次較低,一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。PID調(diào)節(jié)器中有PD、PI和PID三種類型。由于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,并獲得足夠的快速性,但穩(wěn)定精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正,可以保證穩(wěn)定精度,卻是以對(duì)快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的,用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后和超前校正則有二者的優(yōu)點(diǎn),可以全面提高系統(tǒng)的控制性能,但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主,對(duì)快速性要求差一些,所以采用PI調(diào)節(jié)器。如圖3.1所示。圖3.1比例積分〔PI調(diào)節(jié)器線路圖PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)已知系統(tǒng)為不穩(wěn)定的。設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器,使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)定性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù),因此分母中的二次項(xiàng)可以分解為兩個(gè)一次項(xiàng)之積,即+0.075s+1=<0.049+1><0.026+1>閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)取為于是,原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為由圖2.3可見相位裕度和增益裕度都是負(fù)值,所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了是系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)置PI調(diào)節(jié)器,考慮到原始系統(tǒng)中包含了放大系數(shù)為的比例調(diào)節(jié)器,現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器,它在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加的部分傳遞函數(shù)應(yīng)為：由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定,表現(xiàn)為放大系數(shù)K過大,截止頻率過高,應(yīng)該設(shè)法把他們壓下來。因此,把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率處,令,使校正裝置的比例微分項(xiàng)與原始系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大慣性環(huán)節(jié)對(duì)消,從而選定。其次,為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度,它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以的斜率穿越線,將原始的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性壓低,使校正以后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性的截止頻率。這樣,在處,應(yīng)有根據(jù)以上兩點(diǎn),校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)特性就可以確定下來了。因此,代入已知數(shù)據(jù),得取=0.049s,為了使=,取在原始系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性查得相應(yīng)得。從校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)特性看出所以,因此而且于是,PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為最后,選擇PI調(diào)節(jié)器的阻容參數(shù)。已知?jiǎng)t校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。2.5<>2.5<>圖3.2校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。圖3.2系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖4、課程設(shè)計(jì)總結(jié)本課程的課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)完《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課程后,進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練,其目的在于加深對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)理論知識(shí)的理解和對(duì)這些理論的實(shí)際應(yīng)用能力,提高對(duì)實(shí)際問題的分析和解決能力,以達(dá)到理論學(xué)習(xí)的目的,培養(yǎng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和撰寫設(shè)計(jì)說明書的能力。熟悉電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本知識(shí)及Matlab仿真軟件。我通過這次的鍛煉學(xué)到了很多的東西,不僅鍛煉了自己的思考能力、計(jì)算能力、繪圖能力,還鍛煉了綜合運(yùn)用知識(shí)的能力,不僅了解電動(dòng)機(jī)如何調(diào)速,而且也會(huì)運(yùn)用計(jì)算,直到如何選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)。同時(shí),我也是在這次課程設(shè)計(jì)中看到了自己的不足,我還有許多未知的知識(shí)要學(xué),直到學(xué)海無涯,知道了今后需要更加努力,使自我能夠不斷更加完善。通過這次的課程設(shè)計(jì)的鍛煉,我學(xué)到了很多的東西,可以說是收益非淺。知識(shí)就是力量,我會(huì)不斷充實(shí)自我,用知識(shí)武裝自我,做個(gè)有用的人！參考文獻(xiàn)[1]伯時(shí)主編電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)2003.7[2]黃忠霖主編控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真