畢業(yè)設計精品]雙閉環(huán)直流調速系統的課程設計(MATLAB仿真).doc

I任務書1.設計題目轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統的設計2.設計任務某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據為：直流電動機：Un=440V，In=365A，nN=950r/min，Ra=0.04,電樞電路總電阻R=0.0825,電樞電路總電感L=3.0mH,電流允許過載倍數=1.5，折算到電動機飛輪慣量GD2=20Nm2。晶閘管整流裝置放大倍數Ks=40，滯后時間常數Ts=0.0017s電流反饋系數=0.274V/A(10V/1.5IN)轉速反饋系數=0.0158Vmin/r(10V/nN)濾波時間常數取Toi=0.002s，Ton=0.01s=15V；調節(jié)器輸入電阻Ra=40k3.設計要求(1)穩(wěn)態(tài)指標:無靜差(2)動態(tài)指標:電流超調量5%；采用轉速微分負反饋使轉速超調量等于0。II目錄任務書.I目錄.II前言.1第一章雙閉環(huán)直流調速系統的工作原理.21.1雙閉環(huán)直流調速系統的介紹.21.2雙閉環(huán)直流調速系統的組成.31.3雙閉環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性.41.4雙閉環(huán)直流調速系統的數學模型.51.4.1雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)數學模型.51.4.2起動過程分析.6第二章調節(jié)器的工程設計.92.1調節(jié)器的設計原則.92.2型系統與型系統的性能比較.102.3電流調節(jié)器的設計.112.3.1結構框圖的化簡和結構的選擇.112.3.2時間常數的計算.122.3.3選擇電流調節(jié)器的結構.132.3.4計算電流調節(jié)器的參數.132.3.5校驗近似條件.142.3.6計算調節(jié)器的電阻和電容.152.4轉速調節(jié)器的設計.152.4.1轉速環(huán)結構框圖的化簡.152.4.2確定時間常數.172.4.3選擇轉速調節(jié)器結構.172.4.4計算轉速調節(jié)器參數.172.4.5檢驗近似條件.182.4.6計算調節(jié)器電阻和電容.19第三章Simulink仿真.203.1電流環(huán)的仿真設計.203.2轉速環(huán)的仿真設計.213.3雙閉環(huán)直流調速系統的仿真設計.22第四章設計心得.24參考文獻.251前言許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調速系統調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統。雙閉環(huán)直流調速系統是直流調速控制系統中發(fā)展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)的調速系統可以再保證系統穩(wěn)定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流轉矩的條件下調速系統所能得到的最快的啟動過程。隨著社會化大生產的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現代化工業(yè)生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝、產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實現制動調速，因此我們就要對這樣的自動調速系統作一些深入的了解和研究。本次設計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調速系統，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由檢測電路，驅動電路構成，檢測電路又包括轉速檢測和電流檢測等部分。2第一章雙閉環(huán)直流調速系統的工作原理1.1雙閉環(huán)直流調速系統的介紹雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統可以在保證系統穩(wěn)定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流dcrI值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統起動時的電流和轉速波形如圖1-（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統起動過程(b)理想快速起動過程圖1調速系統起動過程的電流和轉速波形在實際工作中，我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)3大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值dmI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就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。1.2雙閉環(huán)直流調速系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。該雙閉環(huán)調速系統的兩個調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統的穩(wěn)態(tài)精度，使系統在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統4圖中U*n、Un轉速給定電壓和轉速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓；ASR轉速調節(jié)器；ACR電流調節(jié)器；TG測速發(fā)電機；TA電流互感器；UPE電力電子變換器1.3雙閉環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性圖3：雙閉環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流系統的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調速系統靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，*Un=Un=n=0n（1-1）*Ui=Ui=dI（1-2）由式（1-1）可得：n=*nU=0nKs1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE5從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，*Ui*imU可知dIdmI，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到dI=dmI。而dmI，一般都是大于額定電流dnI的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值*imU，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環(huán)系統變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統。穩(wěn)態(tài)時：dI=*imU=dmI（1-3）其