CDIO調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性圖1-1是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(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，這是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，或稱串級聯(lián)接。+-+-mtg+-+-rp2nu*nr0r0ucuitalidriciud+-r0r0rncnasracrlmgtvrp1unu*ilm-mtgupe圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖從閉環(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)。1.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其靜特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1-2。 ks a 1/ceu*nucidenud0un+-asr+u*i- r b acr-uiupe圖1-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù)這種pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果達(dá)到限幅值就是飽和，輸出如果沒有達(dá)到限幅值就是不飽和。當(dāng)輸出為恒值，輸入量的變化不會再影響輸出時，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng)pi的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是等于零時，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于idm時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和輸出時，負(fù)載電流達(dá)到最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差7。這就是采用了兩個pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。1.2系統(tǒng)動態(tài)校正pi調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示： u*na uc-idlnud0un+-b +-uiwasrwacrks tss+11/rtl s+1rtmsu*iid1/ce+e 圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計(jì)合適的動態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用pid調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就可以完成動態(tài)校正的任務(wù)。由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，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由pi調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性卻不高；用pid調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜8。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用pi調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。1.3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中主要采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。1.3.1 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的基本思路先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(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(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)中先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后將電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。1.3.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1、設(shè)計(jì)指標(biāo)：1)靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2)動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。2、電機(jī)基本數(shù)據(jù)如下：1)電樞電阻 ra = 1.5 ；2)電機(jī)額定電流 i = 3.24a；3)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 n= 1450r/min；4)電樞回路總電阻 r=4；5）回路總電感 l= 2 mh。3、其它參數(shù)計(jì)算 1） =0.0338 vmin/r 2） cm=30ce/=0.3236nmin/r 3） =0.02903s 4） tl=l/r=0.0005s5） 控制電壓uc的調(diào)節(jié)范圍是010v，由于是雙極性控制，所以uc=5v；整流電壓ud的變化范圍是054v。ks=54/5=10.86） 電流反饋系數(shù)設(shè)最大允許電流=1.5in，限幅值，定為10v，電壓給定也為10v。則= =4.86a=10/4.86=4.44v/a 7） 速度反饋系數(shù)=10/1450=0.0069vmin/r 1.4電流環(huán)的設(shè)計(jì)將電流環(huán)校正成典型i型系統(tǒng)1、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 可按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成pi型的，其傳遞函數(shù)為 式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。2、選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)acr超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求，故應(yīng)取，因此于是，acr的比例系數(shù)為:3、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率: （1）pwm裝置傳遞函數(shù)近似條件：即滿足近似條件；（2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：即滿足近似條件；（3）小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：即滿足近似條件。（4）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻為，各電阻和電容值計(jì)算如下 取，取，取1.5轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1、確定時間常數(shù)1）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理 2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動點(diǎn)后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點(diǎn)以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3、選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則asr超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：asr的比例系數(shù)：4、近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為：（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： 現(xiàn)在 滿足簡化條件。（2）轉(zhuǎn)速小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在滿足近似條件。（3）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則，取1700 ，取0.00340 ，取0.1 （4）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足