直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)課程設計

遂慶工商大挙課程設計題目: 直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)學院 計算機科學與信息工程專業(yè)年級 13自動化2班 學生姓名 學號_指導教師 職稱 講師日期 2016T1-30 目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 2\o"CurrentDocument"一、設計任務 3\o"CurrentDocument"1、設計對象參數(shù) 3\o"CurrentDocument"2、課程設計內(nèi)容及要求 3\o"CurrentDocument"二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結構圖 4\o"CurrentDocument"1、整流裝置的選擇 4\o"CurrentDocument"2、建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理結構圖 4\o"CurrentDocument"三、電流環(huán)和轉速環(huán)的工程設計 5\o"CurrentDocument"1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖 5\o"CurrentDocument"2、電流環(huán)設計 62.1電流環(huán)結構框圖 6電流調(diào)節(jié)器結構的選擇 6電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 7\o"CurrentDocument"3、轉速環(huán)的設計 93.1轉速環(huán)結構框圖 93.2轉速調(diào)節(jié)器結構的選擇 9轉速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 10\o"CurrentDocument"三、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真 111、系統(tǒng)仿真模型 11\o"CurrentDocument"2、動態(tài)性能分析 14四、總結 16\o"CurrentDocument"參考文獻 17摘要本設計通過分析直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設計出系統(tǒng)的電路原理圖。同時，采用工程設計的方法對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉速兩個調(diào)節(jié)器進行設計，先設計電流調(diào)節(jié)器，然后將整個電流環(huán)看作是轉速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再來設計轉速調(diào)節(jié)器。遵從確定時間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結構、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗近似條件的步驟一步一步的實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器的具體設計。之后，再對系統(tǒng)的起動過程進行分析，以了解系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后用MATLAB軟件中的Simulink模塊對設計好的系統(tǒng)進行模擬仿真，得出仿真波形。關鍵詞：直流電動機 雙閉環(huán)MATLAB/Simulink仿真一、設計任務1、設計對象參數(shù)系統(tǒng)中采用三相橋式晶閘管整流裝置；基本參數(shù)如下：直流電動機：220V,136A,1500r/min,Ce=0.15V/(r.min-1),允許過載倍數(shù)1.5。晶閘管裝置：Ks=50電樞回路總電阻：R=0.6Q時間常數(shù)：Tl=0.03s,Tm=0.2s反饋系數(shù)：a=0.007V/(r.min-1)，卩=0.05V/A反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s,Ton=0.002s2、課程設計內(nèi)容及要求建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模型；繪出結構圖。電流環(huán)和轉速環(huán)的工程設計。2.3利用Simulink建立仿真模型(須有較為詳細的建模過程說明)，并分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。調(diào)試分析過程及結果描述。列出主要問題的出錯現(xiàn)象、出錯原因、解決方法及效果等；總結。包括課程設計過程中的學習體會與收獲等內(nèi)容。

二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結構圖1、整流裝置的選擇轉速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串級聯(lián)結，轉速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制三相橋式晶閘管整流裝置。目前在各種整流電路中，應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖1所示。圖1三相橋式全控晶閘管整流裝置2、建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理結構圖轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應用最廣、性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了為了實現(xiàn)在允許條件下的最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達到的控制：啟動過程只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；達到穩(wěn)態(tài)轉速后只有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用。故而采用轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器來組成系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別在系統(tǒng)中起作用，可以在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）連接，如圖2所示。把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。MLTEnTG外環(huán)莎V丹￡TA內(nèi)環(huán)ACRMLTEnTG外環(huán)莎V丹￡TA內(nèi)環(huán)ACRASR圖2直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理結構圖三、電流環(huán)和轉速環(huán)的工程設計1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖

2、電流環(huán)設計2.1電流環(huán)結構框圖圖3圖3電流調(diào)節(jié)器結構的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉特性，由圖3可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成：W (s)ACRK(W (s)ACR ii—Tsi式中K——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；iT——電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。i為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇圖4圖4T=Til則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成圖4所示的典型形式，其中：電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算1）確定時間常數(shù)1） 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。通過表1可得出，三相橋式電路的平均失控時間T=0.0017ss。2） 電流濾波時間常數(shù)Toi。根據(jù)初始條件有Toi=0.002s。3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和Tio按小時間常數(shù)近似處理，取=0.00.0037。表1各種整流電路的失控時間（f二50HZ）整流電路形式最大失控時間T（ms）平均失控時間T（ms）S單相半波s^max2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.672）選擇電流調(diào)節(jié)器結構根據(jù)書本設計要求&<5%，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無差，按典型I型系統(tǒng)設i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型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)：ACR TSi檢查對電源電壓的抗擾性能：T/T二0.03s0.0037=8.8.1,參照表2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。表2典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系T、 Tw?=—二一r2 t212030ACmaxX100%q55.5%33.2%18.5%12.9%UT2.83.43.84.0tJT14.7第7頁（21.7共18頁）28.730.43）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)：e=T=0003s。電流開環(huán)增益：書本要求°i-5%時，按表3,取Kili=0.5，因此疋0.5 0.5 1351K= = =135.1s-1IT0.0037s工i于是，ACR的比例系數(shù)為：KeR135.1x0.03x0.6K=—^-i= =0.9750x0.05i50x0.05s表3典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系KT0.250.390.500.691.0阻尼比g1.00.80.7070.60.5超調(diào)里b0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間t006.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp008.3T6.2T4.7T3.6Tp相角穩(wěn)定裕度Y76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率w c 0.243/T0.367/T0.455/T0.569/T0.786/T4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：w=K=135.1s-1ci I= =196.1s-= =196.1s-i>w3T 3x0.0017s ci忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3 =3x =38.73s-1<w滿足近似條件。 Tmri '°2sx0.03s ci電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件3*0.0017sx0.002s-盹如>o3*0.0017sx0.002s-盹如>oc滿足近似條件。 3vrTTsoi

3、轉速環(huán)的設計3.1轉速環(huán)結構框圖a//?仁>$+1電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)W (s)為cliW (a//?仁>$+1電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)W (s)為cliW (s)cliKs(Ts+1)IU(s)/0 1+Ks(Ts+1)i I Si忽略高次項，W(s)可降階近似為cli1T 1 1Sis2+ s+1K KIIW(s)沁cli近似條件Si1Si1w<—cn3轉速開環(huán)頻率特性的截止頻率。式中?校正后成典型轉速開環(huán)頻率特性的截止頻率。式中?校正后成典型II型系統(tǒng)的轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖如下接入轉速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為U*(s)，因此電流環(huán)在轉速環(huán)i中應等效成1I(s) W(s) 0—d =—也 沁U；(s)" 1s+1KIcn這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時間常數(shù)1K的一階慣性環(huán)節(jié)。轉速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算1)確定時間常數(shù)2)A:電流環(huán)等效時間常數(shù)1K?已取KT—0.5，fI IEi——2T1)確定時間常數(shù)2)A:電流環(huán)等效時間常數(shù)1K?已取KT—0.5，fI IEi——2T—2x0.0037s—0.0074sK EiB:轉速濾波時間常數(shù)T?已知，T=0.02son onC:轉速環(huán)小時間常數(shù)T1 EnT— +T—0.0074s+0.02s—0.0274sEnKon選擇轉速調(diào)節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為W/s、—K(Ts+1)VW (s)—nnASR Ts計算轉速調(diào)節(jié)器參數(shù) n轉速反饋系數(shù)?-1°V."n二O.°°7V-min/r按照跟隨和抗擾性能的原則，取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為:T—hT—5X0.0274s—0.137sn 工n轉速開環(huán)增益：K—h+1— s-2—159.8s-2N2h2T22X52X0.02742En于是，ASR的比例系數(shù)為“_(h+1)pCT6x0.05x0.15x0.2n 2haRT 2x5x0.007x0.6x0.0274En(4)檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為Kn—Kt—159.8X0.137s-1—21.9s-1、oNn電1流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為o—

cn1)1【1351s-1—63.7s-1>oT3\0.0037 cn為i2)轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為K1：135.14— s-1—86.6s-1>T3\0.002on第10頁(共18頁)cn三、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真1、系統(tǒng)仿真模型本設計運用MATLAB的Simulink來對系統(tǒng)進行模擬仿真。根據(jù)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖以及上面計算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型（1）建模過程說明1） 進入MATLAB直接鍵入simulink命令，打開Simulink模塊瀏覽器窗口2） 打開模型編輯窗口：選擇File—New—Model菜單項實現(xiàn)3）復制相關模塊進入模型編輯窗口：將Source組中的Step（階躍輸入）模塊、MathOperations組中的Sum（加法器）和Gain（增益）模塊、Continuous組中的TransferFen（控制器）和Integrator（積分）模塊、Sinks組中的Scope

4）模塊鏈接,如下圖0.002sMGains0.050.002sfr1T「ansferFcn4回Mdianlii_ilT_ian?囤dianliuliuan%dianliuhuanFileEditViewDisplayDiagramSimulationAnalysisCodeToolsHelp4）模塊鏈接,如下圖0.002sMGains0.050.002sfr1T「ansferFcn4回Mdianlii_ilT_ian?囤dianliuliuan%dianliuhuanFileEditViewDisplayDiagramSimulationAnalysisCodeToolsHelp(T)Didyoumeantoscroll?Toscroll/pan,pressthemiddlemousewheelanddraaMoreinformation.TransferFcn3Q㈤Q? ?▼oTo5ScopeTransferFenGainlIntegrator!SaturationTransferFcn10.60.2s>O501.670.001310.03MTransferFcn25）修改模塊參數(shù)：雙擊各模塊圖案，則出現(xiàn)關于該圖案的對話框，通過修改對話框內(nèi)容來設定模塊參數(shù)。詳見教材P51-P54.各模塊參數(shù)修改見下圖：

2）電流環(huán)動態(tài)仿真模型及仿真曲線1）電流環(huán)動態(tài)仿真模型：2）電流仿真曲線：系統(tǒng)運行，得到系統(tǒng)電流仿真曲線3）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)仿真模型及仿真曲線1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)仿真模型：

2）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線系統(tǒng)運行，得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線3001.41.60英田［D曰占口系統(tǒng)運行，得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線3001.41.60英田［D曰占口O圖形-Scope文“）時（E）*?（V）*A（Dm（D啊B）CH1（Q）.口他）25020016C>ih-1002、動態(tài)性能分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U時由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過n程圖如上圖所示。由于在起動過程中轉速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成了圖中標明的I、II、III三個階段。第I階段（0?t）是電流上升階段。突加給定電壓U*后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的1n跟隨作用，U、U、I都跟著上升，但是在I沒有達到負載電流I以前，電c d0 dddL動機還不能轉動。當I>I后，電動機開始起動。由于機電慣性的作用，轉速不ddL會很快增長，因而轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓AU=U―U的數(shù)值仍較大，nnn其輸出電壓保持限幅值U「強迫電樞電流I迅速上升。直到I沁I，U沁U―imdddmiim電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了I的增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASRd很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第II階段（t?t）是恒流升速階段。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉12速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為恒值電流給的U*下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電im流I恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。與此同時，電動機的反電d動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，U和U也必須基本上按線性增長，才能保持I恒定。ACR采用d0 cdPI調(diào)節(jié)器時，為了使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓AU=U*-U必須維iimi持一定的恒值，也就是說，I應略小于I。此外，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)ddm作用，在起動過程中ACR不應飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也需留有余地。第III階段（t以后）是轉速調(diào)節(jié)階段。當轉速上升到給定值n*=n時，轉速20調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*,im所以電動機仍在加速使轉速超調(diào)。轉速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，U*和I很快下降。但是，只要I仍大于負載電流I，轉速就idddL繼續(xù)上升。直到I二I時，轉矩T=T，則dndt二0，轉速n才到達峰值（t=tddL eL 3時）。此后電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在t~t時間內(nèi)，IVI,3 4 ddL直到穩(wěn)定。在最后的轉速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使I盡快的跟隨給定值U，即電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨di動子系統(tǒng)。綜上所述，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程的特點是：1） 飽和非線性控制。隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單的用線性控制理論來分析整個起動過程。2） 轉速超調(diào)。當轉速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉速必然有超調(diào)。3） 準時間最優(yōu)控制。在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程1、11兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想起動過程還有一些差距，不過這兩個階段只占全部起動時間中的很小一部分，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。四、總結本次課程設計是電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)這門課的一次課程設計，主要目標是設計一個符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)這門課是我們自動化專業(yè)的一門綜合性非常強的課程，它綜合了之前學習過的模擬電子技術、自動控制原理、電力電子技術及電機拖動技術等課程的很多知識點，所以，本次課程設計也是對以前課程的一次梳理和升華。本次課程設計我受益良多，本課程設計的要點是設計轉速和電流調(diào)節(jié)器，通過查閱大量的書籍專業(yè)網(wǎng)站、論壇的方式，找尋所需資料，反復比對研究有關資料，最后按照調(diào)節(jié)器的工程設計方法的基本思路，簡化問題，突出主要矛盾。先選擇調(diào)節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。先設計內(nèi)環(huán)——電流調(diào)節(jié)器，然后把電流環(huán)看作轉速調(diào)節(jié)器的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調(diào)節(jié)器，完成設計要求。在此過程中，我進一步深化了對這門課程課本所學知識的理解，通過實際設計系統(tǒng)，鍛煉了我應用理論知識解決實際問題的能力，是對我綜合素質(zhì)的一次提高。參考文獻[1]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2009[2]李國勇等.計算機仿真技術與CAD.北京：電子工業(yè)出版社，2008[3]王正林等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真，電子工業(yè)出版社，2012[4]涂植英等.自動控制原理.重慶大學出版社,2005[5]黃文梅等.系統(tǒng)仿真分析與設計.湖南：國防科技大學出版社，2001直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)（組員分工表）（組長）龐超明雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的工程設計及系統(tǒng)仿真劉翔宇雙閉環(huán)系統(tǒng)各組成部分電路方案設計何嘉誠雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模型及結構圖設計黃程雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能分析目錄第一章總論 錯誤！未定義書簽。第一節(jié)項目背景 錯誤！未定義書簽第二節(jié)項目概況 錯誤！未定義書簽第二章項目建設必要性 錯誤！未定義書簽第三章市場分析與建設規(guī)模 錯誤！未定義書簽第一節(jié)汽車市場需求分