中主電路,電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速

./中北大學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生：學(xué)號(hào)：學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化題目：雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)中主電路,電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：2011中北大學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)11/12學(xué)年第一學(xué)期學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：課程設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)中主電路,電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)起迄日期：8月22日～8月26日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：中北大學(xué)指導(dǎo)教師：下達(dá)任務(wù)書(shū)日期:20XX08月22日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)中主電路,電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。二、已知條件及控制對(duì)象的基本參數(shù)：〔1已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：=3kW,=220V,=17.5A,=1500r/min,電樞繞組電阻=1.25,=3.53。采用三相全控橋式電路,整流裝置阻=1.3。平波電抗器電阻=0.3。整流回路總電感L=200mH?！?這里暫不考慮穩(wěn)定性問(wèn)題,設(shè)ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器,ASR限幅輸出=－8V,ACR限幅輸出=8V,最大給定=10V,調(diào)速圍D=20,靜差率s=10%,堵轉(zhuǎn)電流=2.1,臨界截止電流=2?！?設(shè)計(jì)指標(biāo)：電流超調(diào)量δ%5%,空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δ10%,空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間t0.5。三、設(shè)計(jì)要求〔1用工程設(shè)計(jì)方法和[西門子調(diào)節(jié)器最佳整定法]*進(jìn)行設(shè)計(jì),決定ASR和ACR結(jié)構(gòu)并選擇參數(shù)?！?對(duì)上述兩種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析比較。〔3設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)畫(huà)出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖〔4利用matlab/simulink進(jìn)行結(jié)果仿真。*為可選作容四、設(shè)計(jì)方法及步驟：Ⅰ用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)〔1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：〔2電流環(huán)設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)上述參數(shù)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為校驗(yàn)近似條件〔3轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)校驗(yàn)近似條件Ⅱ用西門子調(diào)節(jié)器最佳整定法設(shè)計(jì)*〔1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)校正〔2轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)校正Ⅲ兩種設(shè)計(jì)方法的分析比較五、設(shè)計(jì)心得：六、參考資料：一．系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：按照"先環(huán)后外環(huán)"的設(shè)計(jì)原則,從環(huán)開(kāi)始,逐步向外擴(kuò)展。在這里,首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器?！?電流環(huán)設(shè)計(jì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡(jiǎn)化：1確定時(shí)間常數(shù)根據(jù)已知數(shù)據(jù)得三相橋式晶閘管整流電路的平均后時(shí)間0.0017sT,取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù),可得電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為0.002oiT,可得電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)但由于對(duì)電流超調(diào)量有較嚴(yán)格要求,而抗擾指標(biāo)卻沒(méi)有具體要求,因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為3選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)積分時(shí)間常數(shù)：為滿足δ%5%,取電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益KI為：電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)KI為：取調(diào)節(jié)器的輸入電阻R0=20K,則電流調(diào)節(jié)器的各參數(shù)為：根據(jù)上述參數(shù)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：故能滿足設(shè)計(jì)要求。4校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率：晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為：又有：故該近似條件滿足。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：則故該近似條件滿足?！?轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡(jiǎn)化：確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等級(jí)時(shí)間常數(shù)為0.0074s。取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)0.01s,轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)為：2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求中雖然允許系統(tǒng)有靜差,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大,因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如采用比例調(diào)節(jié)器,將很難滿足穩(wěn)定性要求。為此,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用近似PI調(diào)節(jié)器,按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？勺C明,當(dāng)近似PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大時(shí),其傳遞函數(shù)可表示為3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5,求出轉(zhuǎn)速超調(diào)量δ%和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts。如果能夠滿足設(shè)計(jì)要求,則可根據(jù)所選的h值計(jì)算有關(guān)參數(shù)；否則要改變h值重新進(jìn)行計(jì)算,直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。當(dāng)h=5時(shí),ASR退飽和超調(diào)量為：式中λ為電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載系數(shù),按題意λ=2.1；z為負(fù)載系數(shù),設(shè)為理想空載起動(dòng),則z=0;,當(dāng)h=5時(shí),故起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速,即n=時(shí),退飽和超調(diào)量為δ=9.2%小于10%,滿足設(shè)計(jì)要求。空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程中,由于在大部分時(shí)間ASR飽和而不起調(diào)節(jié)作用,使過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts延長(zhǎng),ts可表示為ts=t0+t2,其中t2為恒流升速時(shí)間,t0是退飽和超調(diào)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間.轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為ASR比例系數(shù)為如去調(diào)節(jié)器輸入電阻Ro=20k,則4校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為故滿足該簡(jiǎn)化條件。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：故滿足該簡(jiǎn)化條件。易犯錯(cuò)誤此系統(tǒng)是有差系統(tǒng),ASR似乎可用比例調(diào)節(jié)器并按典型I型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),轉(zhuǎn)速超調(diào)量要求δn%小于10%,據(jù)此可選擇參數(shù)為于是上述設(shè)計(jì)過(guò)程的錯(cuò)誤是：ASR采用比例調(diào)節(jié)器,當(dāng)其放大系數(shù)為9.7時(shí),雖可滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求,但卻無(wú)法滿足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求。由前述計(jì)算可知,發(fā)展穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求時(shí)KASR=76.3,即ASR采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)無(wú)法解決動(dòng)、穩(wěn)態(tài)之間的矛盾,只有當(dāng)ASR采用PI調(diào)節(jié)器〔或近似PI調(diào)節(jié)器后,才能較好地解決這個(gè)矛盾。為此,當(dāng)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求較高時(shí),即使是有差系統(tǒng),ASR仍應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器,并按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外,計(jì)算空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間st時(shí),若查教材表2-6,當(dāng)h=5時(shí),得是不對(duì)的,此錯(cuò)誤在于：教材表2-6所列數(shù)據(jù)是系統(tǒng)處于線性狀態(tài)下得到的跟隨性指標(biāo),它只適用與線性系統(tǒng)。而實(shí)際系統(tǒng)在突加給定后,由于ASR飽和不再起調(diào)節(jié)作用,因此其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間將延長(zhǎng),其值主要由恒流升速的過(guò)程時(shí)間所決定。Ⅱ用西門子調(diào)節(jié)器最佳整定法設(shè)計(jì)〔1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)校正雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,如教材中圖2-27所示。對(duì)于這種調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性群所組成的系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)器可以采用PI調(diào)節(jié)器,即如果調(diào)節(jié)器按下列調(diào)節(jié)選擇參數(shù),電流環(huán)即將被校正為二階最佳閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所得調(diào)節(jié)器參數(shù)為因Ro=20k,取1F,于是取68。這時(shí)電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：最大超調(diào)量〔2轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)校正將電流環(huán)與上述的工程設(shè)計(jì)方法同樣處理,可畫(huà)出轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)圖如圖所示。對(duì)于這種調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性群組成的系統(tǒng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可以采用PI調(diào)節(jié)器,即如果調(diào)節(jié)器按下述條件選擇參數(shù),系統(tǒng)即被校正為三階最佳閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所得調(diào)節(jié)器參數(shù)為R0=20k,取Cn=0.47uF,給定濾波器的時(shí)間常數(shù)為0.0696S當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用上述參數(shù),并在輸入端加給定濾波器后,系統(tǒng)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速最大超調(diào)量δ=8.1%,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts=16.4×0.0174s=0.265s。Ⅲ兩種設(shè)計(jì)方法的分析比較〔1西門子設(shè)計(jì)方法中的二階最佳系統(tǒng),與工程設(shè)計(jì)方法中的典型I型系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件,相當(dāng)于典型I型系統(tǒng)中選12KT的情況?！?西門子設(shè)計(jì)方法中三階最佳系統(tǒng)與工程設(shè)計(jì)方法中的典型II型系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件,相當(dāng)于典型II型系統(tǒng)中選中頻寬h=4的情況。〔3西門子設(shè)計(jì)方法的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速超調(diào)量計(jì)算未考慮ASR飽和,因此給出的δ過(guò)大；再采用較大時(shí)間常數(shù)的給定濾波,并不能減小δ,因此只要ASR飽和,此濾波環(huán)節(jié)對(duì)抑制超調(diào)就無(wú)作用。此外,西門子方法沒(méi)有給出參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的變化趨勢(shì),這就給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試帶來(lái)一定困難。二、設(shè)計(jì)心得：這次電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)歷時(shí)一個(gè)星期,在整整一個(gè)星期的日子里,可以說(shuō)得是苦多于甜,但是可以學(xué)到很多很多的的東西,同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí),而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。1.學(xué)習(xí)是沒(méi)有止境的。在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)之前,我一直以為自己的理論知識(shí)學(xué)的很好了。但是在完成這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候,我總是被一些小的,細(xì)的問(wèn)題擋住前進(jìn)的步伐,讓我總是為了解決一個(gè)小問(wèn)題而花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。最后還要查閱其他的書(shū)籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有很多東西,我都還不知道。其實(shí)在計(jì)算設(shè)計(jì)的時(shí)候,基礎(chǔ)是一個(gè)不可缺少的知識(shí),但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。2.多和同學(xué)討論。我們?cè)谧稣n程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問(wèn)題,這樣,我們可以盡可能的統(tǒng)一思想,這樣就不會(huì)使自己在做