雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真開題報(bào)告

南京工程學(xué)院

自動化學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告課題名稱：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究姓名：吳杰班級：10自動化1指導(dǎo)教師：張貞艷所在系部：自動化學(xué)院專業(yè)名稱：自動化南京工程學(xué)院2014年3月

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告學(xué)生姓名吳杰學(xué)號20100710132專業(yè)自動化指導(dǎo)教師姓名張貞艷職稱講師所在系部自動化學(xué)院課題來源老師自擬課題類型工程設(shè)計(jì)課題名稱雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究

畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容（包括技術(shù)要求、圖標(biāo)要求以及工作要求等）：1.簡單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的性能分析，其中包括單閉環(huán)有、無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)以及帶電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的性能分析。通過比較它們的性能分析結(jié)果，得出它們的不足之處，從而引出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的方框圖以及仿真模型。并且通過仿真分析結(jié)果，與簡單的閉環(huán)調(diào)速仿真分析進(jìn)行比較，從而得出雙閉環(huán)直流調(diào)速優(yōu)越性。3.雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)果分析等。4.雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)構(gòu)分析等。二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義1.根據(jù)MATLAB/Simulink仿真平臺，研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定性好、精度高等許多優(yōu)點(diǎn)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。采用該系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。此系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)[2]。2.通過比較單閉環(huán)有、無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而得到它們各自的不足之處，從而突出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性以及必要性。3.通過對雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)和雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)這兩種典型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的仿真分析，幫助我們更好的了解和應(yīng)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。4.通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[1]國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過流保護(hù)電路等。給定信號為0～10V直流信號，可對主電路輸出電壓進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果【3】。晶閘管-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流控制的基礎(chǔ)【4】。在我們國內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時(shí)期，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但是目前的趨勢仍是追趕著發(fā)達(dá)國家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。文獻(xiàn)綜述[2]國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置直流調(diào)速已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、良好的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國內(nèi)外受到廣泛的應(yīng)用【5】。目前，發(fā)達(dá)國家應(yīng)用的先進(jìn)電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類儀器儀表，機(jī)械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過程中。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的總的發(fā)展趨勢也向著控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。文獻(xiàn)綜述MATLAB/Simulink仿真平臺[1]MATLAB/Simulink的介紹MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”(MatrixLaboratory)的縮寫，這是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計(jì)算機(jī)語言。由于它使用方便，輸入便捷，運(yùn)算高效，適應(yīng)科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴(kuò)展的空間，特別受到用戶的歡迎，使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國內(nèi)外高校教學(xué)和科學(xué)研究的常用軟件。Simulink系統(tǒng)的仿真環(huán)境實(shí)在MATLAB原來的工具箱基礎(chǔ)上拓展和開發(fā)的，它包括Simulink仿真平臺和系統(tǒng)仿真模型庫兩部分，它是一個(gè)高級計(jì)算和仿真平臺[6]。[2]仿真的數(shù)值算法Ode45為基于顯式Rung-Kutta和Dormand-Prince組合的算法，它是一種一步解法，只要知道前一段時(shí)間點(diǎn)的解，就可以計(jì)算當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的方程解。這種算法適用于仿真線性化程度比較高的系統(tǒng)。此算法是仿真默認(rèn)算法。Ode15s是一種可變階數(shù)的Numericaldifferentiationformulas(DNFS)算法，當(dāng)遇到剛性(stiff)問題時(shí)或者使用ode45算法不行時(shí)，你可以試試這種算法[7]。

Ode23tb(stiff/TR-BDF2)采用TR-BDF2算法，即在龍格-庫塔法的第一階段用用梯形法，第二階段用二階的backwarddifferentiationformulas算法，在容差比較大時(shí)，ode23tb和ode23t都比ode15s好【8】。直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機(jī)具有良好的啟動、制動性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑無級調(diào)速，在軌鋼機(jī)、鐵路機(jī)車、造紙機(jī)、金屬切割機(jī)床、高層電梯、礦井卷場機(jī)、挖掘機(jī)等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用?？煽刂绷麟娫础妱訖C(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括直流電動機(jī)啟動、開環(huán)直流調(diào)速、單閉環(huán)直流調(diào)速、雙閉環(huán)直流調(diào)速以及直流脈寬PWM-等調(diào)速系統(tǒng)的仿真[9]。直流電動機(jī)和交流電動機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維修困難，需備有直流電源才能使用。但因直流電動機(jī)具有較高的過載能力、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和良好的啟動、制動、平滑的調(diào)速性能，可以在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，能在很短的時(shí)間里改變轉(zhuǎn)向，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式[10]。轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，且設(shè)計(jì)較為方便的特點(diǎn)，是應(yīng)用非常廣泛的一種直流調(diào)速系統(tǒng)[11]。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)[1]雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的必要性采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)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(fù)載等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要因?yàn)閱伍]環(huán)系統(tǒng)不能完全按照需求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩[12]。同樣，帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠控制電流，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。因此，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級聯(lián)接。如下圖1所示。這就是說，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[13]。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)速調(diào)節(jié)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)直流調(diào)速系統(tǒng)[14]。圖1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使其輸出增加，即電流給定值上升，從而通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，使電動機(jī)電流增加、電動機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩、電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定值減小，并且通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)，是電動機(jī)電流下降，電動機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩減小而減速[16]。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和、輸出達(dá)到限幅值時(shí)，電流環(huán)即以最大電流Idm運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)將以可能的最大加速度加速，使電動機(jī)的起動時(shí)間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的快速起、制動。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電動機(jī)快速制動。[2]雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)電源是靜止裝置，由電力電子AC/DC變換器供電，通過改變晶閘管的控制角來改變可控整流器輸出電壓的大小和極性，這種直流調(diào)速系統(tǒng)為“晶閘管-電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”，簡稱“V-M系統(tǒng)”。V是晶閘管整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器裝置GTF的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流器的輸出電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)M調(diào)速[17]。由于晶閘管可控整流器的輸出電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。由于晶閘管可控整流器的輸出電流是單方向的，因此由單組可控整流器構(gòu)成的V-M系統(tǒng)，其輸出電流不允許反向。[3]雙閉環(huán)PWM-M調(diào)速系統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，最常用的PWM直流調(diào)壓調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低等特點(diǎn)，特別在中、小容量的系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[18]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,70年代以來出現(xiàn)了有自關(guān)斷能力的電力電子器件,如,電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效管(P-MOSFET等)。由該類器件組成的直流脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation簡稱PWM功)率放大器已被成功地用于直流調(diào)速系統(tǒng)。它是利用器件的開關(guān)作用將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率為2kHz左右(或更高)的方波電壓,加在直流電動機(jī)的電樞上,通過對方波脈沖寬度的控制來改變電樞的平均電壓,從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速[19]。由于PWM調(diào)速系統(tǒng)中的功放元件工作在開關(guān)狀態(tài),且開關(guān)頻率高,故與V-M系統(tǒng)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):(1)電樞電流易連續(xù),系統(tǒng)低速性能好,調(diào)速范圍寬;(2)系統(tǒng)頻帶寬,快速性好,動態(tài)抗干擾能力強(qiáng);(3)主電路器件開關(guān)損耗小,裝置效率高。

參考文獻(xiàn)[1]常萬倉,杜翠靜.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與仿真[A].第十三屆中國科協(xié)年會第10分會場-節(jié)能減排戰(zhàn)略與測控技術(shù)發(fā)展學(xué)術(shù)研討會論文集 [C].2011double-loopDCmotor[2]ZHAOYao,DINGLonghan.Intelligentcontrolofparallelspeedcontrolsystems[J].Proceedingsofthe3thWorldCongressonIntelligentdouble-loopDCmotorControlandAutomation,2000（7）:416-418 ．洪乃剛《電力電子技術(shù)基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社2008.1第1版P17洪乃剛《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真》機(jī)械工業(yè)出版社2006.1王昌翁國慶張有兵《電力系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真與應(yīng)用》西安科技大學(xué)出版社P168黃忠霖黃京《電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐》黃京國防工業(yè)出版社2009.1P284周天平劉穎慧．全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)在軋制工藝過程中的應(yīng)用[J]．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008，21（4）：156-157邵雪卷張井崗趙志誠等.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究[J]。電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）：75-77機(jī)械工業(yè)出版社陳伯時(shí)《電力拖動自動控制系統(tǒng)》機(jī)械工業(yè)出版社陳伯時(shí)《電力拖動自動控制系統(tǒng)——運(yùn)動控制系統(tǒng)》周曉寧雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的研究程師論文大賽論文集基于PWM基于PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2000.6P49機(jī)械工業(yè)出版社2011。6第五屆ABB杯全國自動化系統(tǒng)工海南師范大學(xué)學(xué)報(bào)第23卷第4期2010.12[13]2000.6P49機(jī)械工業(yè)出版社2011。6第五屆ABB杯全國自動化系統(tǒng)工海南師范大學(xué)學(xué)報(bào)第23卷第4期2010.12[13]薛定宇[14]翁劍楓[15]潘曉晟逢海萍清華大學(xué)出版社2004年機(jī)械工業(yè)出版社2005年MATLABLabVIEWSystemView仿真技術(shù)基礎(chǔ)MATLAB電機(jī)仿真精華50例電子工業(yè)出版社PWM直流調(diào)速系統(tǒng)與機(jī)械工業(yè)出版社2005年2007年[16]9卷第4期1995.12SCIENCE&2007年[16]9卷第4期1995.12SCIENCE&TECHNOLOG[19]王耀德《交直流電力拖動控制系統(tǒng)》機(jī)械工業(yè)出版社2000.6[18]王忠禮段慧達(dá)高玉峰《