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

課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) NO.15雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其仿真 班 級(jí)：自動(dòng)化2班 學(xué) 號(hào)：xxxxxxxx 姓 名：xxxxxx 指導(dǎo)教師：xxxxxx 設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年6月23日目 錄一、前言 31.課題研究的意義32.課題研究的背景3二、總體設(shè)計(jì)方案31. MATLAB 仿真軟件介紹32.設(shè)計(jì)目標(biāo)43.系統(tǒng)理論設(shè)計(jì) 54.仿真實(shí)驗(yàn) 95.仿真波形分析13三、心得體會(huì)14四、參考文獻(xiàn) 16一、前言1課題研究的意義從七十年代開(kāi)始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無(wú)噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是一個(gè)典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過(guò)流保護(hù)電路等。直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門(mén)，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。且直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、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)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以加深直流電機(jī)控制原理理解有很重要的意義。2課題研究的背景電力電子技術(shù)是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器,電力電機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,促使了電機(jī)控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從20世紀(jì)60年代第一代電力 電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器 件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復(fù)合場(chǎng)控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬 勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓, 多年來(lái)其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進(jìn),性能有了飛速提高,在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們?cè)诨ハ?競(jìng)爭(zhēng),新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。同時(shí)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電 子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展 成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。3注意什么問(wèn)題二、總體設(shè)計(jì)方案1.MATLAB 仿真軟件介紹本設(shè)計(jì)所采用的仿真軟件是MATLAB。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(kāi)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(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB應(yīng)用非常之廣泛！MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。主要的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)為： 高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握； 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。2.設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調(diào)速范圍D=10，靜差率5%；穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量5%，電流脈動(dòng)系數(shù)10%；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量10%。系統(tǒng)具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載和缺相保護(hù)，觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：額定功率29.92KW，額定電壓220V，額定電流136A，額定轉(zhuǎn)速 1460r/m，=0.132Vmin/r， 允許過(guò)載倍數(shù)=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：=40電樞回路總電阻：R=1時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)=0.18s，電磁時(shí)間常數(shù)=0.03s電流反饋系數(shù)：=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007v min/r轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：=0.005s，=0.005s總飛輪力矩：GD=2.5N.mh=53.系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，設(shè)計(jì)和調(diào)試方便，達(dá)到本課程設(shè)計(jì)的要求。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖:圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：三相電路的平均失控時(shí)間=0.0017s （3-1）電流濾波時(shí)間常數(shù)：=0.005s （3-2）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取為：=+=0.0067s (3-3） 3.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為： = （3-4）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： （3-5）符合典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，并且各項(xiàng)性能指標(biāo)都是可以接受的。電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：=0.03s。 （3-6）電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求5%是按書(shū)表2-2，應(yīng)取=0.5，因此： （3-7）于是，ACR的比例系統(tǒng)為： （3-8）電流環(huán)截至頻率： （3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： （3-10）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的近似條件為： （3-11）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： （3-12）按所用的運(yùn)算放大器取得。各電容和電阻值為：、 （2-13）Ri=40k （2-14）按照上面計(jì)算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%5%,滿足課題所給要求。3.3速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取=0.5，則： （3-15）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)波紋情況，?。?0.005s。 （3-16）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取： （3-17）3.4選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-18）按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： （3-19）并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為： （3-20）則可得ASR的比例系數(shù)為： （3-21）3.5校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為： （3-22）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為： （3-23）轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： （3-24）3.6計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運(yùn)算放大器取=40。各電容和電阻值為：， （3-25） （3-26）3.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由書(shū)可以查得：=37.6%，這并不能滿足課題所給要求。實(shí)際上，由于表2-6是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。如下： （3-27）滿足課題所給要求。4.仿真實(shí)驗(yàn)：為了實(shí)現(xiàn)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，如圖2所示。圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中，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)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示： 圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如 圖4所示：圖4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形及分析：ASR輸出限幅值 （4-1） ACR輸出限幅值 （4-2）調(diào)節(jié)限度器1將ASR輸出限幅值的Upper Limit和Lower Limit進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)?？傻玫缴仙龝r(shí)間最大的波形（=7.7s 限幅值=3.8V）和上升時(shí)間最?。?0.7s限幅值=14V）的波形。上升時(shí)間最大波形如圖5所示：圖5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最大波形圖上升時(shí)間最小波形如圖6所示：圖6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最小波形圖經(jīng)過(guò)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最大波形與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最小波形對(duì)比可知：限幅值越大上升時(shí)間越小，限幅值越小上升時(shí)間越大；同時(shí)值越大，超調(diào)越??；值越小，超調(diào)越大。在符合設(shè)計(jì)要求的情況下，經(jīng)過(guò)多次的參數(shù)調(diào)整，得到一組較好的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表1和圖7所示：晶閘管放大系數(shù)Ks機(jī)電時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)允許過(guò)載倍數(shù)300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.6159.845500.220.01s表1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)圖7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)波形圖由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調(diào)節(jié)器它的輸出量在動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來(lái)決定的。5.仿真波形分析從波形中，我們分析可知其起動(dòng)過(guò)程可分三個(gè)階段來(lái)分析：第階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達(dá)到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，這是起動(dòng)過(guò)程中的重要階段。在這個(gè)階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開(kāi)始，轉(zhuǎn)速已達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達(dá)到最大值后，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，電機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過(guò)程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為： 1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。三、心得體會(huì)經(jīng)過(guò)這次課程的設(shè)計(jì)，使我明白了一門(mén)課程設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)好該門(mén)課程的重要性。同時(shí)也感覺(jué)到自己在實(shí)踐動(dòng)手能力方面的缺陷與不足，因此我將會(huì)在以后的學(xué)習(xí)和工作中不斷來(lái)加強(qiáng)這方面的鍛煉。這次課程設(shè)計(jì)的時(shí)間雖說(shuō)是短暫的，但在這幾天中我學(xué)會(huì)了不少的東西，首先對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我不僅在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進(jìn)步。我想無(wú)論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是這次設(shè)計(jì)給我的一點(diǎn)小小的感悟。以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)的興趣。再者我們學(xué)習(xí)的是工科，不單純只是理論方面的的工作，還應(yīng)該考慮到實(shí)際情況。在本次課程設(shè)計(jì)中也遇到了不少的工程問(wèn)題和理論問(wèn)題，但最后都得到了完滿的解決，在此十分的感謝課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師-李俊圣老師的細(xì)心指導(dǎo)和幫助?？傊谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過(guò)的新知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析，解決新問(wèn)題的能力，不僅學(xué)到了知識(shí)，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。四、參考文獻(xiàn)1 阮毅, 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) M. 4版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20