運動控制系統(tǒng)課程設計：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設計及matlab仿真驗證

1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設計及matlab仿真驗證1 設計分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(asr)和電流調(diào)節(jié)器(acr), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。原理圖如圖1所示。圖1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)之間實行串級連接，其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，稱為外環(huán)。它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓un*變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，對負載變化起抗擾動作用，它的輸出當做電流調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是是電流緊緊跟隨其給定電壓ui*變化，對電

2、網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用，在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得點動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器。對調(diào)速系統(tǒng)而言，被被控制的對象是轉(zhuǎn)速。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。能否實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式達到所要求的性能指標，是設置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求指標。2 系統(tǒng)設計及參數(shù)計算2.1 系統(tǒng)總體設計晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構圖，如圖

3、2所示。圖2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構圖其中，分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)，根據(jù)已知條件代入以下公式。=un*nn （2-1） =uim*i dm （2-2）idm=in （2-3）求得=0.0267，=0.00882.2 電流調(diào)節(jié)器設計及參數(shù)計算電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構圖如圖3所示，其中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)tl遠小于機電時間常數(shù)tm，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多。對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即e0。這樣，在按

4、動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。調(diào)節(jié)器如圖4所示。圖3 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構圖圖4 含給定濾波和反饋濾波的模擬式pi型電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇確定時間常數(shù)1）三相橋式電路的平均失控時間為ts=0.0017s。2）電流濾波時間常數(shù)toi，三相半波整流電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有 ，因此取toi=2ms=0.002s。3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和ti=ts+toi=0.0037s。.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型i型系統(tǒng)設計電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用pi型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為： （2-4）給出電磁

5、時間常數(shù)tl=0.031s檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型i型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表格，可知各項指標都是可以接受的。電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： （2-5） 因為，所以選擇i=tl，用調(diào)節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)點，以便矯正成典型i型系統(tǒng)，因此 wopi(s)=kiisks/r(tis+1)=kis(tis+1) （2-6）.計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=tl= 0.031s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，并結(jié)合本題實際，取kiti=0.25，因此 （2-7）acr的比例系數(shù)為 （2-8）.檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率： ci=ki= 1）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的

6、近似條件 （2-9）滿足近似條件2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 （2-10）滿足近似條件3） 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 （2-11） 滿足近似條件.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖5，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下：，取20k （2-12）ci=iri=0.03117.76k=1.75f，取1.75f （2-13） coi=4toiro=40.00240k=0.2 f，取0.2 f （2-14）按照上述參數(shù)，將在matlab仿真模型中設置，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標，滿足設計要求。2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計及參數(shù)計算設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，把電流環(huán)等效為單位負反饋系統(tǒng)和

7、小慣性系統(tǒng)。把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構框圖如圖5所示。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)。由于需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且在后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，asr也應該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （2-15）圖5 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr中，由于在擾動作用點后

8、面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)共有兩個積分環(huán)節(jié)，應該設計成典型型系統(tǒng)。圖6 校正后成為典型型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算、選擇：.確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)，已取1ki=4ti=0.0148s2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)ton。取ton=0.01s3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)tn。按小時間常數(shù)近似處理，取tn=1ki+ton=0.0248s.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構按照設計要求，選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （2-16）調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-17）另轉(zhuǎn)速開環(huán)增益kn為 （2-18）則 （2-19）為校正后的典型的型系統(tǒng).計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則asr的超前時間常

9、數(shù)為n=htn=0.124s （2-20） 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 （2-21）asr的比例系數(shù)為 （2-22）.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 （2-23）1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 （2-24） 滿足簡化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 （2-25） 滿足簡化條件。.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則rn=knro=11.6140=464.4，取460k （2-26），取0.2f （2-27） con=4tonro=40.0140=1 f，取1f （2-28）.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當h=5時，n=37.6%，不能滿足設計要求。應按asr退飽和的情況重新計算超調(diào)量。. 按asr退飽和重新計算超調(diào)量過載倍數(shù)=

10、1.5 （2-29）z為負載系數(shù)，z=idlidn；nn為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 （2-30） （2-31）求得結(jié)果，并在matlab仿真計算，在所得波形圖中進行計算，得到超調(diào)量，可以得到動態(tài)超調(diào)量能滿足設計要求。當超調(diào)不符合時，可以根據(jù)具體的情況，采用經(jīng)驗試湊法，選擇在符合超調(diào)內(nèi)的數(shù)據(jù)，工程法來設計的原則一般都是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，其中有對一些變換的近似處理。3 仿真分析 根據(jù)上面計算的參數(shù)數(shù)據(jù)，可以用matlab的simulink建模仿真，仿真模型如圖7所示：圖7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型空載啟動到額定轉(zhuǎn)速，可以用一個階躍進行仿真，step time設置成1.5，initial val

11、ue設置為0，final value設置成760，相當于1.5秒之前是空載，1.5秒之后是額定滿載。當穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線，在模型中等效為電流反饋突然減為零，如圖所示，可以在電流反饋通道上用階躍和電流反饋信號相乘，3秒之后，階躍由1變?yōu)?，電流反饋就變?yōu)榱?，相當于電流環(huán)突然斷線。電流、轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖8所示，空載啟動，1.5秒時加上額定負載電流，3秒時電流環(huán)突然斷線，得到仿真波形圖。圖8 電流、轉(zhuǎn)速仿真波形圖圖9 電流波形整體圖圖10 轉(zhuǎn)速波形整體圖其中，電流波形圖如圖9，轉(zhuǎn)速波形圖如圖10。由波形圖可以求出電流超調(diào)量i為4.72%，小于5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量n為6.64%，小于10%，均符合動

12、態(tài)指標，并且穩(wěn)態(tài)無靜差。直流電壓ud，asr、acr輸出電壓波形圖如圖11、圖12、圖13所示。圖11 直流電壓ud波形圖圖12 asr輸出電壓波形圖圖13 acr輸出電壓波形圖電動機啟動時常有空載啟動與滿載啟動之分，兩種啟動情況下的電流和轉(zhuǎn)速波形略有不同。空載啟動時電流及轉(zhuǎn)速的波形見下圖。圖14 空載啟動波形圖滿載啟動時電流及轉(zhuǎn)速的波形見下圖。圖15 滿載啟動波形圖由上述波形可看出，空載時，電流id從零增長到im，然后在一段時間內(nèi)維持不變，后又降到零，這是因為空載時沒有加負載電流，故啟動后穩(wěn)定值為零；而滿載時，電流id也是從零增長到im，然后在一段時間內(nèi)維持不變，但最后會降到一穩(wěn)定值，而該穩(wěn)

13、定值正好是滿載時所加的額定負載電流。轉(zhuǎn)速波形則大體相同，先是緩慢升速，然后恒加速上升至最大值，一個超調(diào)后穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速上。從啟動所需時間來看，空載啟動比滿載啟動快一點。從電流與轉(zhuǎn)速變化過程所反映出的特點可以把起動過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，由圖12和13還可得出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和及退飽和三種情況，而電流調(diào)節(jié)器在整個過程中一直處于不飽和狀態(tài)。分析電流環(huán)斷線對系統(tǒng)的影響事可以參考圖8至圖13，從這幾幅圖的波形可以看出，電流環(huán)突然斷線后，電流和轉(zhuǎn)速都會發(fā)生振蕩，且是幅值增大后的等幅振蕩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。而調(diào)節(jié)器的輸出電壓也都受到了限幅器的限制，即調(diào)節(jié)器都達

14、到了飽和狀態(tài)。這是由于斷線的電流環(huán)屬于內(nèi)環(huán)反饋通道上的干擾，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有反饋控制，但它所能抑制的只是被反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動，對反饋通道上的干擾則無能為力。但是由于仿真時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出都加有限幅器，故其輸出不可能一直增大，調(diào)節(jié)器會因為輸出達到限幅器的限幅值而進入飽和狀態(tài)，從而使電流和轉(zhuǎn)速等幅振蕩。4 課程設計心得體會通過本次課程設計，讓我受益匪淺。首先我學會很多新的東西，對matlab的使用，較之以前有了更多更全面的認識。其次，我對之前學的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深刻的認識和理解，對一些理論知識的實際運用有了更深的理解，雖說這次設計并不算是多么的困難，但在仿真調(diào)試時也遇到了一些棘手的問題，經(jīng)過多次的討論、研究、查閱資料，以及和老師探討，最終解決了各種問題，順利的完成了調(diào)試。這種經(jīng)歷確實能讓我們養(yǎng)成一種不斷探索的科學研究精神，我想對于工科學生這個是很重要的。第三，鍛煉了獨立思考的能力，對運控知識的綜合運用和matlab的應用有了深層的理解，同時鍛煉了查閱資料和手