調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計及變負載擾動下磁場突然減半matlab仿真(運動控制課程設(shè)計)

1、摘要隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。關(guān)鍵字：電力拖動、控制、直流調(diào)速、matlabI武漢理工大學(xué)電力拖動與控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書目錄1設(shè)計任務(wù)與設(shè)計要求11.1設(shè)計任務(wù)11.2設(shè)計要求12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹12.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成3

2、2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性43系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)計算53.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計53.2 系統(tǒng)參數(shù)計算63.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計63.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計84matlab仿真分析95心得體會14參考文獻15武漢理工大學(xué)電力拖動與控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計及變負載擾動下磁場突然減半matlab仿真1設(shè)計任務(wù)與設(shè)計要求1.1設(shè)計任務(wù)不可逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相橋式整流電路，系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下：直流電機：允許過載倍數(shù)時間常數(shù)：晶閘管裝置放大倍數(shù)： 電樞回路總電阻：電流反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)數(shù)反饋系數(shù)：。1.2設(shè)計要求（）在負載和電網(wǎng)電壓的擾動下穩(wěn)態(tài)

3、無靜差（）動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量，空載啟動到額定的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。（）利用matlab對雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真。2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩

4、。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2.1（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b) (a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖2.1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形在實際工作中，我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持

5、電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2.1（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)

6、節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(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，二者之間實行串級連接，如圖22所示，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為P

7、I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測速發(fā)電機；TA電流互感器；UPE電力電子變換器2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE

8、圖2.3：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， （1-1） （1-2）由式（1-1）可得：從而得到靜特性曲線的CA段

9、。與此同時，由于ASR不飽和，可知，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到。而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時： （1-3）其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線3系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)計算3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)所給條件以及指標(biāo)要

10、求，確定系統(tǒng)為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)且調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器典I結(jié)構(gòu)。因為穩(wěn)態(tài)無靜差的要求，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均選用PI結(jié)構(gòu)；因為電流超調(diào)量i5%,空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。系統(tǒng)跟隨性能較好，所以調(diào)節(jié)器選用典I系統(tǒng)。圖3.1為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)速環(huán)電流環(huán)圖3.1為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2 系統(tǒng)參數(shù)計算3.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1）確定時間常數(shù)整流裝置采用三相橋式全控整流電路，其平均失控時間Ts=0.0017s；電流濾波時間常數(shù)，三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.33ms，因此取=0.002s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti=Ts

11、+Toi=0.0037s。2）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)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，查表得應(yīng)取KITi=0.5，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為KiKIiRKS135.10.030.5400.051.0133）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件4）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.2如所示，按所用運算放大器取各電阻和電容值計算如下：取取取圖3.2含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，

12、電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%5%滿足設(shè)計要求3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1) 確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù),取KITi=0.5，則=2Ti=0.0074s轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。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=0.0174s2）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為可求得ASR的比例系數(shù)為3）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足簡化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件4）計算調(diào)節(jié)器電阻與電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖

13、如圖3.3所示，取則取470取0.2取1圖3.3含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5）驗證設(shè)計是否滿足要求設(shè)理想空載起動時z=0,根據(jù)已知數(shù)據(jù)和求的的數(shù)據(jù)有：=1.5，R=0.5.Idn=136A,nN=1460r/min，Ce=0.132V min/r，Tm=0.18s，Tn=0.0174s。當(dāng)h=5時，查表可得，帶入式 中得：n8.31%10%能滿足設(shè)計要求。4matlab仿真分析如圖4.1所示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體仿真圖。圖4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)能在變負載下穩(wěn)定運行，電網(wǎng)擾動在ACR的調(diào)節(jié)下系統(tǒng)也能穩(wěn)定無靜差的運行。設(shè)置仿真時間起始時間為0s，停止時間為1.5s，起動轉(zhuǎn)速

14、與起動電流仿真波形如圖4.2所示。圖4.2起動轉(zhuǎn)速與起動電流仿真波形由圖4.2所示，第1階段是電流上升階段，突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，直流電機電樞電流迅速達到最大值并有一定的超調(diào)，在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第2階段保持最大承受電樞電流這個階段電動機轉(zhuǎn)速上升，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，是起動過程中的主要階段。第3階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，轉(zhuǎn)速環(huán)保持電動機轉(zhuǎn)速為額定值不變，在這個階段ASR和ACR都不飽和，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系

15、統(tǒng)。圖4.3Ud仿真波形如圖4.3所示直流電流的仿真波形，在突然加給定時，直流電流迅速上升，很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，在第1.5秒的時候由于電網(wǎng)擾動，直流電壓有些波動，但很快得到抑制。在第2秒的時候磁場減半，由于前面兩個調(diào)節(jié)器的作用，直流電壓變?yōu)樨?，最終恢復(fù)穩(wěn)定。圖4.4ASR輸出電壓仿真波形如圖4.4所示速度調(diào)節(jié)器輸出電壓仿真波形，在突然加給定時，速度調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)馬上反應(yīng)輸出成比例地放大輸入，隨著轉(zhuǎn)速反饋的增大，速度調(diào)節(jié)器的輸出減小，最終穩(wěn)定。在第3秒時磁場突然減半，轉(zhuǎn)速大大的上升，速度調(diào)節(jié)器輸出為負值，隨后穩(wěn)定。圖4.5ACR輸出電壓仿真波形如圖4.5所示，加上給定后，速度調(diào)節(jié)器迅速飽和，電流

16、調(diào)節(jié)器的給定值即為速度調(diào)節(jié)器的飽和值，由于電流調(diào)節(jié)器也為PI調(diào)節(jié)器，所以也具有同速度調(diào)節(jié)器一樣的特征，在此不再贅述。第1.5秒時，加入的電網(wǎng)電壓擾動被電流環(huán)很好的抑制了。在第3秒時磁場突然減半，先是速度調(diào)節(jié)器輸出為負，既而電流調(diào)節(jié)器輸出為負，最終穩(wěn)定。如圖4.6所示，系統(tǒng)速度和電流總圖，當(dāng)系統(tǒng)1.5秒受電網(wǎng)電壓干擾時，系統(tǒng)很快就能達到穩(wěn)定狀態(tài)，本系統(tǒng)干擾源用一個階躍函數(shù)當(dāng)在1.5秒時電壓突然上升，系統(tǒng)通過反饋調(diào)節(jié)最后穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和電流。當(dāng)在3秒時磁場突然減半速度迅速上升然后又經(jīng)過反饋速度最后穩(wěn)定在磁場沒減半之前的轉(zhuǎn)速，這時電流也下降經(jīng)過一系列反饋調(diào)節(jié)電流穩(wěn)定到之前的電流值。 圖4.6起動轉(zhuǎn)速與起動

17、電流仿真總波形5心得體會 通過這次設(shè)計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時，進一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿Γ莆樟诉@一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，了解了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算；第四，運用MATLAB仿真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行的仿真，與此同時，進一步熟悉了MATLAB的相關(guān)功能，掌握了其使用方法。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。認識

18、來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。本課程設(shè)計綜合運用了自動控制原理、電力電子技術(shù)、電力拖動與控制技術(shù)等的知識，為了更好的完成設(shè)計，我又重新復(fù)習(xí)了一遍原來所學(xué)的知識，加深了對知識的理解，提高了對知識的應(yīng)用能力，同時使我認識到了各個課程之間是緊密聯(lián)系的。參考文獻1 陳伯時.運動控制系統(tǒng)(第4版). 北京：機械工業(yè)出版社，20092 鄭恩讓.控制系統(tǒng)仿真. 北京：中國林業(yè)出版社，20063 鄭阿奇. MATLAB實用教程. 北京：電子工業(yè)出版社，20044 王廣雄. 控制系統(tǒng)設(shè)計. 北京：清華大學(xué)出版社，20055 王兆安. 電力電子技術(shù)（第4版）. 北京：機械工業(yè)出版社，2000本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名申廷進性 別男專業(yè)、班級電氣1003班課程設(shè)計題目：調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計及變負載擾動下磁場突然減半matlab仿真課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是什么？答：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快的跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器則可實現(xiàn)無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2.電流調(diào)節(jié)器有什么作用？答：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，它的作用是使電流緊