雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

.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