直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析

1、目錄摘要11. 直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計21.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成21.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)31.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)32轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計42.1 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用42.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計42.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計53 參數(shù)計算83.1 和的計算83.2電流環(huán)參數(shù)的設(shè)計83.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計94 MATLAB仿真結(jié)果與分析114.1 系統(tǒng)原理圖114.2仿真結(jié)果115心得體會136參考文獻14摘要許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜

2、差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流（或者電磁轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。不能滿足經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速要求。所以，為了改善系統(tǒng)動態(tài)過程，可以再增加一個電流截止至負反饋環(huán)節(jié)來專門控制電流。但它只是在超過臨界電流值以后，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

3、流的動態(tài)波形，不能實現(xiàn)準時間控制。因而我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的最大允許電流，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，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。在這種情況下，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)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。按照這思路 ，對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計進行了理論分析，對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理進行了一些簡要說明，介紹了其主電路、檢測電路的設(shè)計，介紹了根據(jù)題目設(shè)計要求按照工程設(shè)計方法的設(shè)計步驟以及一些調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算。并利用MATLAB Simulink工具箱，分別對直流調(diào)速系

4、統(tǒng)的電流反饋環(huán)和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)進行系統(tǒng)仿真，檢驗理論計算參數(shù)是否符合實際設(shè)計要求。并仿真過程中，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)波形和參數(shù)來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)。關(guān)鍵詞：直流雙環(huán) 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法 MATLAB仿真1. 直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。主要原因是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值

5、 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，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，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。 圖1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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

6、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)。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，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖。1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。 圖1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu) 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)

7、直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。圖1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計2.1 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1） 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。（2） 對負載變化起抗擾作用。（3） 其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用(1)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緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。(2)對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。(3)在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的

8、最大電流，從而加快動態(tài)過程。(4)當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。2.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，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。把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。和一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為。電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)，應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成，電流調(diào)節(jié)

9、器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇，其中。希望電流超調(diào)量，可選=0.707，即。含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖示于圖2-3。圖中為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓?？梢詫?dǎo)出、圖2-3 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)忽略高次項，可降階近似為,近似條件。電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為。原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造

10、了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個重要功能。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)，。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(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)。ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為開環(huán)增益，。按照典型型系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系，、，因此，一般以選擇。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為

11、、。3 參數(shù)計算3.1 和的計算由可知：，由可知：3.2電流環(huán)參數(shù)的設(shè)計1）確定時間常數(shù):因為，所以取： 電流濾波時間常數(shù)：電流環(huán)小時間常數(shù)：2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu):根據(jù)設(shè)計要求：電流超調(diào)量，且電流環(huán)設(shè)計為典I系統(tǒng)，選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3）選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù):ACR超前時間常數(shù)： ，電流開環(huán)增益：要求電流超調(diào)量，所以應(yīng)取，所以 ACR的比例系數(shù)為：4）校驗近似條件:電流環(huán)截止頻率:晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，滿足近似條件。忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：，滿足近似條件。小時間常數(shù)近似處理條件：。滿足近似條件。調(diào)節(jié)器的電阻電容：因為，則， 近似取 ，取。取3.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計1）確定

12、時間常數(shù):電流環(huán)等效時間常數(shù)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu):由于設(shè)計要求無靜差，且要求設(shè)計為典II系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須含有積分環(huán)節(jié);故ASR選擇PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 3) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)其參數(shù):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: 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:所以，ASR的比例系數(shù)為:4) 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。小時間常數(shù)近似處理條件： ，滿足條件。5) 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容： ，可近似取 ，取 ，取6) 校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量： 當h=5時，而所以，滿足要求。4 MATLAB仿真結(jié)果與分析4.1 系統(tǒng)原理圖

13、風機泵類負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即若用負載比例系數(shù)為k，則。則系統(tǒng)原理圖如下圖4.1帶風機泵類負載仿真電路圖4.2仿真結(jié)果圖4.2負載電流波形圖圖4.3轉(zhuǎn)速波形圖圖4.4轉(zhuǎn)速和電流波形圖5心得體會通過本設(shè)計，我對運動控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運用有了深入的認識，對運動控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、思路、有一定的了解與認識。在課程設(shè)計過程中，我都按照運動控制系統(tǒng)課上學(xué)到的設(shè)計步驟來做，首先熟悉系統(tǒng)的工藝，進行對象的分析，設(shè)計總體方案，確定方案，然后設(shè)計硬件部分，通過查資料選取適當?shù)挠布?，畫出對?yīng)的電路圖，接著設(shè)計控制器，以及各部分的功能模塊的實現(xiàn)。在設(shè)計完成后進行仿真，我利用MATLAB仿真，把電路連好設(shè)定好

14、參數(shù)就可以進入?yún)?shù)調(diào)試，仿真。調(diào)試的主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的故障和錯誤。調(diào)試階段，找出硬件參數(shù)不相匹配的地方，反復(fù)修改，直到符合設(shè)計要求?；叵胱稣n設(shè)的這些天，我感覺重要的是過程而不是結(jié)果，也許我的設(shè)計有很多缺陷或者錯誤，但是在做的過程中我學(xué)到了很多平時的學(xué)習中無法學(xué)到的知識和思考方法。這才是課設(shè)的價值所在。老師常說考試不是目的只是手段，我覺得做完課設(shè)也不是目的只是手段。它給我們提供了一個自己學(xué)習獨立思考的機會，這是其他課堂或考試都做不到的。其實我們目前的知識還是十分有限的，有很多東西或許我們現(xiàn)在根本就理解不了的?？蛇@并沒有關(guān)系，關(guān)鍵是我們認真的去思考了，并且我們在這思考過程中得到了鍛煉與提高。另外，這次課設(shè)讓我認識到了運動控制的復(fù)雜性以及在工業(yè)應(yīng)用中的重要性。我感到僅僅是課本上的那點知識是很有限的，我只是剛剛?cè)腴T，還有很多東西要去學(xué)。6參考文獻1 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第4版）.機械工業(yè)出版社,20092 李發(fā)海，王巖. 電機與拖動基礎(chǔ). 清華大學(xué)出版社（第3版）,20053 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)（第4版）.機械工業(yè)大學(xué)出版社,20004 周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真. 中國電力出版社,