雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)_第1頁
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)_第2頁
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)_第3頁
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)_第4頁
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.引言直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能,宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看,直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán),前者通過電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流,后者通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽3洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定,最終消除轉(zhuǎn)速偏差,從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用,電流內(nèi)環(huán)起主要作用,調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值,使轉(zhuǎn)速線性變化,迅速達(dá)到給定值;穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用,使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化,電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。并通過Matlab進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真,分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。一設(shè)計(jì)目的1了解自動(dòng)控制系統(tǒng)學(xué)科。2學(xué)習(xí)繪畫雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。3掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析。4體會(huì)參數(shù)設(shè)計(jì)的過程及工程設(shè)計(jì)方法的基本思路。5. 利用MATLAB仿真。二直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者實(shí)行嵌套連接,如圖一所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面稱為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速環(huán)在外面,稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速,電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。圖1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.雙閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值,電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓,當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí),輸出達(dá)到限幅值,輸入量的變化不再影響輸出,除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和;當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí),PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài),其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。對(duì)于靜特性來說,只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況,電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài) 。3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,圖中分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋,在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電樞電流Id顯露出來。圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以有三種方法:(1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U;(2) 減弱勵(lì)磁磁通;(3) 改變電樞回路電阻R。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說,以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速;減弱勵(lì)磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速,但調(diào)速的范圍不大,往往只是配合調(diào)壓方案,在基速(額定轉(zhuǎn)速)以上做小范圍的弱磁升速。因此,自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。5.電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) 5.1 初始條件某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),整流裝置采用三相橋式電路,基本數(shù)據(jù)如下:直流電機(jī)參數(shù)為:額定電壓,額定電流;額定轉(zhuǎn)速,,允許過載倍數(shù);晶閘管裝置放大系數(shù);電樞回路總電阻;時(shí)間常數(shù);電流反饋系數(shù);轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。5.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間近似處理 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差,可將電流環(huán)校成典型系統(tǒng),典型系統(tǒng)的跟隨性較好,超調(diào)量較小。設(shè)傳遞函數(shù)的形式為:(2)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間參數(shù):電流開環(huán)增益 :要求時(shí),應(yīng)該取,因此: 根據(jù)上述的設(shè)計(jì)參數(shù), 參照表1的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能,各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。 55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.72.730.4表1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系(3)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率 1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。2)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 ,滿足近似條件。3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取,則: 設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器,起傳遞函數(shù)為:(2)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性都較好的原則,取,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:進(jìn)而可求得,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:可求得ASR的比例系數(shù)為:(3)校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 ,滿足簡(jiǎn)化條件。 2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為,滿足近似條件。三仿真1.Matlab簡(jiǎn)介MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境,主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合,意為矩陣工廠(矩陣實(shí)驗(yàn)室)。是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中,為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案,并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言(如C、Fortran)的編輯模式,代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。2.仿真步驟(1)打開Matlab軟件,根據(jù)原理圖將仿真所用模塊拖入模塊編輯窗口。(2)將模塊合理擺放,并正確連接各模塊。(3)設(shè)置各模塊的參數(shù)。(4)點(diǎn)擊菜單欄中運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真。3.仿真結(jié)果(1)電流環(huán)的仿真1電流環(huán)的仿真模型如圖4所示。圖4 電流環(huán)仿真模型(2)KT=0.5時(shí),按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形如圖5所示。 圖5電流環(huán)的仿真結(jié)果(3)KT=0.25時(shí),按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形:圖6 電流環(huán)無超調(diào)輸出波形(4)KT=1.0時(shí),按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形:圖7 電流環(huán)超調(diào)較大輸出波形3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真(1)轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型如圖8所示。圖8 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型(2)PI調(diào)節(jié)器按照計(jì)算出來的結(jié)果:??蛰d起動(dòng)時(shí)波形如圖9所示。圖9轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動(dòng)輸出波形(3)滿載運(yùn)行時(shí)起動(dòng)的波形:圖10 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)輸出波形(4)抗干擾性的測(cè)試:圖11 轉(zhuǎn)速環(huán)的抗干擾輸出波形四設(shè)計(jì)結(jié)果通過對(duì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì),合理的選擇參數(shù),由所得的仿真結(jié)果圖形可以看到,設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。五設(shè)計(jì)心得這次課程設(shè)計(jì)中,我們學(xué)到了許多課堂上學(xué)不到的東西,尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方,我在此用了很多時(shí)間和精力。本次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容-轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解,對(duì)典型I系統(tǒng)設(shè)計(jì)加深了認(rèn)識(shí)。通過matlab的仿真,使我對(duì)雙閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)有了直觀的印象。課程設(shè)計(jì)是對(duì)我們?cè)谶@學(xué)期學(xué)到的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)這門課的理論知識(shí)的一個(gè)綜合測(cè)評(píng),是對(duì)我們將理論結(jié)合時(shí)間的綜合能力的考查,是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力,是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識(shí)的途徑。通過對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),讓我們對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)各個(gè)部分都有所認(rèn)知。同時(shí)也可以通過課程設(shè)計(jì),了解理論知識(shí)哪些方面比較薄弱,及時(shí)查漏補(bǔ)缺。六參考文獻(xiàn)1張潤(rùn)和.電力電子技術(shù)及應(yīng)用.北京大學(xué)出版社,2008年

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