完整版雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、4州工孥命課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程課程設(shè)計(jì)課題雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級姓名學(xué)號目錄第1章雙閉環(huán)系統(tǒng)分析1.1.1 系統(tǒng)介紹1.1.2 系統(tǒng)原理1.1.3 雙閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)1.第2章系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.2.1.1 時(shí)間參數(shù)選擇2.2.1.2 計(jì)算電流調(diào)節(jié)參數(shù)2.2.1.3 校驗(yàn)近似條件.3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).3.2.2.1 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：3.2.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為5.2.2.3 計(jì)算控制器的電阻電容值5.第3章仿真模塊6.3.1 電流環(huán)模塊6.3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)模塊6.第4章仿真結(jié)果7.4.1 電流環(huán)仿真結(jié)果7.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果7.4.4 穩(wěn)定性指標(biāo)的分析8.4.

2、4.1 電流環(huán)的穩(wěn)定性.8.4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性.8.結(jié)論9.參考文獻(xiàn)10.第1章雙閉環(huán)系統(tǒng)分析1.1 系統(tǒng)介紹整流電路可從很多角度進(jìn)行分類，主要分類方法是：按組成的器件可分為不可控，半控和全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分可分為單相、雙相、三相和多相電路；按控制方法又可分為相控整流和斬波控制整流電路。本系統(tǒng)采用的是三相全控橋式晶閘管相控整流電路。這是因?yàn)殡姍C(jī)容量相對較大，并且要求直流脈動(dòng)小、容易濾波。其交流側(cè)由三相電網(wǎng)直接供電，直流側(cè)輸出脈動(dòng)很小的直流電。在分析時(shí)把直流電機(jī)當(dāng)成阻感性加反電勢負(fù)載。因?yàn)殡姍C(jī)電流連續(xù)所以分析方法與阻感性負(fù)載相同，各參量計(jì)算公式亦

3、相同。1.2 系統(tǒng)原理ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，具輸出是電流指令的給定信號Ui*（對于直流電動(dòng)機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。ACR電流調(diào)節(jié)器）根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由TeTL=Jdn/dt,只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的變化。整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。1.3 雙閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制

4、系統(tǒng)，每一環(huán)都有調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。工程設(shè)計(jì)方法遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則。步驟為：先設(shè)計(jì)電流環(huán)（內(nèi)環(huán)），對其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后依照電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一種典型系統(tǒng)，再根據(jù)控制對象確定其調(diào)節(jié)器的類型，最后根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求來確定其調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成以后，把電流環(huán)看成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(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)。在電流檢測信號中常有交流分量，為了不讓它影響調(diào)節(jié)器的輸入，加入了低通濾波器，然而濾波環(huán)節(jié)可以使反饋信號延遲，為了消除此延遲在給定位置加一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。同理，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓常含有換向紋波，因此也在給定和反

5、饋環(huán)節(jié)加入濾波環(huán)節(jié)。第2章系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)額定電流(2-1)(2-2)?2?3000?=?=18.75?)?160額定電阻?21602?=8.53Q?3000設(shè)置品閘管放大系數(shù)K?=402.1.1 時(shí)間參數(shù)選擇整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)？%利用三相橋式電路的平均控制時(shí)間?=0.0017?(2-3)電流濾波時(shí)間常數(shù)?=0.002?(2-4)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)和?=?+?0.0037?(2-5)2.1.2 計(jì)算電流調(diào)節(jié)參數(shù)電流開環(huán)增益:?=?=20x10-3=0.03?0.7850.5?=0.5-135.1?5''?2?0.0037?2=,?160-24X0.78515

6、90(2-6)(2-7)0.088?/?；2-8)10101.5?1.5X18.750.533V/A(2-9)表2-1典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系mT1/T2T/T21/51/101/201/30Cmax/Cb*100%27.8%16.6%9.3%6.5%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(2-10)(2-11)?=可?.一？初？135.1x0.03x0.78540X0.533=0.149(2-12)?0.072x0.785x1000c?=C30=2s375?375X0.0882X電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)?=?=0

7、.03?電流調(diào)節(jié)器比例參數(shù)2.1.3 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率(2-13)?打?=135.1?1電力電子變換器純滯后的近似處理?<瓢=3?196？?1(2-14)不考慮反電動(dòng)勢的變化對電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響?會3V?=3"3?4僅26?1(2-15)電流環(huán)小慣性群的近似處理?<=1V-1?=180.8?)(2-16)?3v?)?30.0.17X0.02'/電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算得，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Ki和電而已經(jīng)選定，需要求的只Ki,可依照所要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選取。一般情況下，希望電流超調(diào)量為6%52.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.2.1 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):放大倍數(shù):10

8、10(2-17)(2-18)“游二百=0.006?1-=2?=2X0.0037=0.0074?>?表2-2典型II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轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)?=0.01?查表2-2得h=5慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)1?=-+?=0.0074+0.001=0.0174?)?=?=5X0.00174=0.087?轉(zhuǎn)速開環(huán)

9、增益?=?+12?2?72X525+0.00742=2191?2ASR比例系數(shù)?=(h+1)?2?6X0.533X0.0888X22X5X0.785X0.006X0.0174663.2(2-19)(2-20)(2-21)(2-22)例（2-22）按上述參數(shù)設(shè)計(jì)超調(diào)量（7=2%<5%滿足設(shè)計(jì)要求2.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為?=3=?=396.4X0.087=34.5?電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1Vs63.7?4>?30.0037轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理1齊1135.1,1-=oV=38.7?>22?3?30.01一一(2-23)(2-24)(2-25)2.2.3計(jì)算控制器的電阻電容值

10、取R0=4kQ?=?=686.8X4=2747.2Q?0.087?=0,03uFn?2740x1000'(2-26)(2-27)4?4X0.01?如尸五丁二0.1?(2-28)當(dāng)h=5的時(shí)候有o%=37.5,不能滿足設(shè)計(jì)要求，采用退飽和超調(diào)設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)Z=0,允許過載倍數(shù)為1.5,則18.75X0.785。?=2符?(入-z)詈等=2*81.2%*1"0.0174乂=2%<10%能滿足設(shè)計(jì)要求3.1電流環(huán)模塊第3章仿真模塊圖3-13.2轉(zhuǎn)速環(huán)模塊圖3-2第4章仿真結(jié)果4.1電流環(huán)仿真結(jié)果4.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果圖4-1圖4-24.4穩(wěn)定性指標(biāo)的分析4.4.1 電流環(huán)的穩(wěn)

11、定性由附圖4.1中仿真圖可以看到，當(dāng)其幅頻特性曲線過0時(shí)，既具轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)相頻率特性曲線的點(diǎn)在-180之上，并且仍有一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性由附圖4.2中仿真圖可以看到，當(dāng)其幅頻特性曲線過0時(shí)，既具轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)相頻率特性曲線的點(diǎn)在-180之上，并且仍有一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。結(jié)論雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRg歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從啟動(dòng)時(shí)間上看，第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間

12、最優(yōu)控制”。啟動(dòng)時(shí)，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流保持最大，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過程波形的。按照ASR在起動(dòng)過程中的飽和情況，可將起動(dòng)過程分為三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，R階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)

13、，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR勺作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACRB作用是電流跟隨，過流自動(dòng)保護(hù)和及時(shí)抑制電壓波動(dòng)實(shí)驗(yàn)仿真調(diào)試過程，出現(xiàn)兩條仿真曲線成上下震蕩的表現(xiàn)形式，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)比例參數(shù)設(shè)置的較大，最后選取了較小的參數(shù)，得到了滿意的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中還遇到一個(gè)問題，就是即使運(yùn)用了比例積分調(diào)節(jié)，但是抗干擾性還是不好，不知道能否利用PID調(diào)節(jié)得出更加滿意的結(jié)果？參考文獻(xiàn)1文亞鳳.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法的數(shù)字仿真.現(xiàn)代電力.20002潘繼安.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及程序編制.四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào).20013陳渝光.電氣自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社2004年9月1日4趙明.直流調(diào)速系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.20035姬宣德.韓英.李