直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目直流雙環(huán)系統(tǒng)（二）的設(shè)計(jì)及仿真分析（四）學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化專業(yè)班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師2013年12月30日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 直流雙環(huán)系統(tǒng)（二）的設(shè)計(jì)及仿真分析（四）初始條件：有一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H形雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)參數(shù)為： ，電樞電阻，電樞回路總電阻，允許電流過載倍數(shù)，電勢(shì)系數(shù)，電磁時(shí)間常數(shù)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)，調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓，調(diào)節(jié)器輸入電阻，電力晶體管的開關(guān)頻率，PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。要求

2、完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，過渡過程時(shí)間。畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖并計(jì)算：(1) 電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；(2) 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，計(jì)算電阻和電容的數(shù)值（?。?3) 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，計(jì)算電阻和電容的數(shù)值（?。?；(4) 讓電機(jī)帶載（，風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載）啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，觀察并錄下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流等的波形，并進(jìn)行分析。時(shí)間安排： 2013.12.25布置課程設(shè)計(jì)題目 2013.12.26 - 2013.12.29 完成課程設(shè)計(jì) 2013.1230 2014.1.3

3、 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2014.1.6 答辯并上交報(bào)告指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘 要11雙閉環(huán)系統(tǒng)組成及工作原理21.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成21.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)工作原理21.3 帶濾波環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)32 雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)52.1 電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算52.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)52.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)73 系統(tǒng)仿真與分析113.1 系統(tǒng)空載啟動(dòng)時(shí)的仿真113.2 帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的仿真12心得體會(huì)14參考文獻(xiàn)15本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表16武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書摘 要轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)解決了開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍和靜

4、差率的矛盾關(guān)系，但不能充分按照理想要求控制電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過程，對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)的表現(xiàn)不盡人意。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)既能在啟動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，使電流保持為最大允許電流，是調(diào)速系統(tǒng)以最大的加速度運(yùn)行，又能在正常運(yùn)行過程中，很好地抑制擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，因此，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，先從電流環(huán)開始，對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制性能指標(biāo)要求確定把它校正成哪一典型類型，再按照控制對(duì)象確定電流調(diào)

5、節(jié)器的類型，最后按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。在典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真，分別使電機(jī)空載啟動(dòng)和帶額定負(fù)載啟動(dòng)，觀察并錄下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流等的波形，并進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)系統(tǒng) 工程設(shè)計(jì)方法 MATLAB仿真1雙閉環(huán)系統(tǒng)組成及工作原理1.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。兩者之間實(shí)行嵌套連接，組成串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖1-1所示。TGnASRACRU*n+-UnUi

6、U*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)成電流調(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)系統(tǒng)。1.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)工作原理為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都是采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖1-2所示：圖中含有兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，他們是按照電力電子變換器的變換電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒向作用。圖中還含有兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)

7、節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，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。+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。如果采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特

8、性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。1.3 帶濾波環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示，該系統(tǒng)增加了電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。設(shè)置濾波環(huán)節(jié)的必要性是由于反饋信號(hào)檢測(cè)中常含有諧波和其他擾動(dòng)量，為了抑制各種擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)的影響，需增加低通濾波，這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定。然而，在抑制擾動(dòng)量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾

9、波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰?lái)設(shè)計(jì)上的方便。圖1-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算根據(jù)系統(tǒng)的初始條件，有調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓，電樞電流Id=IN=3.7A，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN=200r/min，可得：電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)2.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流超調(diào)量，計(jì)算電阻和電容的數(shù)值（?。?1) 確定時(shí)間常數(shù)1) PWM裝置的延遲時(shí)間Ts。電力晶體管的開關(guān)頻率為f=1KHz，則。2) 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)。3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti= Ts+Toi=

10、0.002s。(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型型系統(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型電流調(diào)節(jié)器，即檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參看表2-1的典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。表2-1 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)于參數(shù)的關(guān)系27.8%16.6%9.3%6.5%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4 (3) 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.015s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求，按表2-2，應(yīng)取KITi=0.5，因此ACR的比例系數(shù)為表2-2 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

11、和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度76.3º69.9º65.5º59.2º51.8º截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T(4) 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：c=KI=250s-11) 校驗(yàn)進(jìn)閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件>ci 滿足近似條件2) 校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)

12、影響的條件 滿足近似條件3) 校驗(yàn)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) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖2-1 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-1所示。圖中Ui*為電流給定電壓，-Id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓Uc。按運(yùn)算放大器取R0=40 k，各電阻和電容值如下：Ri=KiR0=4.63×40=185.2k 取185k 取0.08F 取0.1F2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，過渡過程時(shí)間，計(jì)算電阻和電容的數(shù)值（?。?。(1) 確定時(shí)間常數(shù)1）

13、電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。在電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中，已得KI=250s-1，則2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.005s。3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn=+ Ton=0.004+0.005=0.009s。(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(3) 計(jì)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，去h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=5×0.009=0.045s則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益于是，可求得ASR的比例系數(shù)為(4) 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 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 滿足近似條件(5) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波

14、與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路原理圖于電流調(diào)節(jié)器類似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)與計(jì)算基本一樣：Rn=KnR0=5.4×40=216k 取220 k 取0.2F 取0.5F(6) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由表2-3查得，n=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。表2-3 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111實(shí)際上，由于表2-3是按線性系統(tǒng)

15、計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。ASR退飽和后的轉(zhuǎn)速超調(diào)量為式中z為負(fù)載系數(shù)，n*為基準(zhǔn)值。理想空載啟動(dòng)時(shí)z=0，由已知數(shù)據(jù)：=2，R=8，Id=3.7A，nN=200r/min，Ce=0.12V·min/r，Tm=0.2s，Tn=0.009s。當(dāng)h=5時(shí)，由表2-4查得Cmax/Cb=81.2%，可以得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足設(shè)計(jì)要求。表2-4 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T

16、2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85(7) 計(jì)算過渡過程時(shí)間由表2-3查得，當(dāng)h=5時(shí)，ts/T=9.55，則過渡過程時(shí)間ts=9.55×Tn=9.55×0.0090.086s<0.1s滿足設(shè)計(jì)要求。3 系統(tǒng)仿真與分析3.1 系統(tǒng)空載啟動(dòng)時(shí)的仿真系統(tǒng)空載時(shí)的仿真模型如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)空載啟動(dòng)時(shí)的仿真模型啟動(dòng)仿真過程，得到圖3-2和圖3-3所示的曲線。圖3-3 空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速波形圖3-2 空載啟動(dòng)時(shí)的電流波形 觀察圖3-2和圖3-3，可以看出電

17、流波形于電壓波形都比較理想。突加給定電壓后，電流上升迅速，很快變達(dá)到最大允許電流Idm=7.4，在一個(gè)小的超調(diào)過后，基本穩(wěn)定在Idm附近。從圖3-2中可以看出，Id有逐漸變小的趨勢(shì)，這是由于電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的影響比較大，去掉電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)后再次運(yùn)行仿真過程，得到的電流波形如圖3-4所示，可以看出電流是穩(wěn)定的，沒有減小的趨勢(shì)。從圖3-2和3-3可以計(jì)算出電流于轉(zhuǎn)速的超調(diào)量電流的超調(diào)量 轉(zhuǎn)速的超調(diào)量 均滿足設(shè)計(jì)要求。圖3-4 去掉電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)時(shí)的轉(zhuǎn)速波形3.2 帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的仿真系統(tǒng)帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的仿真模型如圖3-5所示。圖3-5 帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的仿真模型啟動(dòng)仿

18、真過程，得到圖3-6和圖3-7所示的曲線。將圖3-6和圖3-7與圖3-3和圖3-4做對(duì)比，可以看出，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，退飽和超調(diào)量減小，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電流于轉(zhuǎn)速均為設(shè)定值。圖3-8 帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速波形圖3-7 帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的電流波形4 心得體會(huì)本學(xué)期學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課程，在我看來(lái)，這是一門綜合性較強(qiáng)的課程。大三上學(xué)期，本人學(xué)習(xí)了自動(dòng)控制原理、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)及電力電子技術(shù)這幾門課程。由于間隔時(shí)間較長(zhǎng)，這些課程的內(nèi)容或多或少有一些遺忘，因此，在大四這學(xué)期剛接觸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)略感吃力。這門課程兼具很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性，只有在學(xué)好課本知識(shí)的同時(shí)付諸實(shí)踐，才能夠較好的掌握其中的精髓。而這次課程設(shè)計(jì)給了我一個(gè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，我認(rèn)真地對(duì)待并完成了本次課程設(shè)計(jì)。雙閉環(huán)只留調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本門課程的一個(gè)重點(diǎn)，按照課本上提供的方法，按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可以很快計(jì)算出設(shè)計(jì)所要求的參數(shù)。但是使用MA