直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1緒論?錯誤!未定義書簽。 電動機(jī)的起動與調(diào)速 2 2.2．2動態(tài)的性能指標(biāo) 32.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成?錯誤!未定義書簽。3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計?錯誤!未定義書簽。3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計?錯誤!未定義書簽。3.3閉環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計?錯誤!未定義書簽。3.4設(shè)計實例...................................錯誤!未定義書簽。3.4.1設(shè)計電流調(diào)節(jié)器.......................錯誤!未定義書簽。 4．Matlab仿真?錯誤!未定義書簽。 參考文獻(xiàn)?錯誤!未定義書簽。0/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1緒論現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式,電機(jī)自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵,礦山,冶金,化工,石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動機(jī)作原動機(jī)。有效地控制電機(jī),提高其運(yùn)行性能,對國民經(jīng)以上等等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)雙閉環(huán)直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)采用結(jié)構(gòu)比較簡單、性能相對穩(wěn)定的常規(guī)PID控制技術(shù),在模型那樣保持不變，而是在某些具體場合會隨工況發(fā)生改變;與此同時,電機(jī)作使控制系統(tǒng)的魯棒性較差,尤其對模型參數(shù)變化范圍大且具的非線性環(huán)節(jié)較強(qiáng)克服模型參數(shù)變化范圍大及非線性因素的影響。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機(jī),直流電動機(jī)的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨立并至今直流電動機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性,優(yōu)異的控制性能,高效率等優(yōu)點。直流調(diào)速仍然是目前最可靠,精度最高的調(diào)速方法。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，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)各個生產(chǎn)領(lǐng)1/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計意。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象,這主要歸功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用,使得使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。本次設(shè)計的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動控制理論和工程設(shè)計的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和控制,設(shè)計出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器,應(yīng)用MATLAB軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。2/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計2直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(1)直流電動機(jī)的起動流電機(jī)的起動條件應(yīng)滿足以下原則:①起動轉(zhuǎn)矩要大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩;②起動電流限制在安全范圍以內(nèi);③起動設(shè)備投資要經(jīng)濟(jì)適用，設(shè)備運(yùn)行要安全可靠,起動時②減弱勵磁磁通Φ從以上三種方法的介紹中可知,對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。變電阻只可以實現(xiàn)有級調(diào)速；弱磁調(diào)速雖然可以實現(xiàn)平滑調(diào)速,但它可調(diào)節(jié)的范圍不太大，經(jīng)常要和調(diào)壓方式配合,根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標(biāo)。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動等因素的影2.2.1靜態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時，提供的最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度n與最低nD=maxnn(2-6)(2)靜差率時，系統(tǒng)從理想空載轉(zhuǎn)速n至額定負(fù)載0nn差率s，即N03/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計ns=Nn0為(2-8)ns=N100%nn0械。但是靜差率與特性硬度又是不同的。變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速的情況下機(jī)械特性是相互平行的,對于相同硬度的機(jī)械特性，理想空載時轉(zhuǎn)速越低,靜差率由此可見,調(diào)速范圍與靜差率這兩項指標(biāo)之間的關(guān)系不是相互獨立的,它們必須一起被提出時才有意義。若調(diào)速的額定速降一樣,則運(yùn)轉(zhuǎn)的越慢,靜差率就越大。在低速的情況下，如果靜差率能符合設(shè)計要求，那么靜差率在高速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動系統(tǒng)動態(tài)過程的性能指標(biāo)是生產(chǎn)工藝流程要求對控制系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)的要求經(jīng)折算與量化后得到的。在自動化系統(tǒng)中，動態(tài)指標(biāo)是指跟蹤給定信號的跟隨性能指標(biāo)和抗擾動信號的魯棒性能指標(biāo)。在參考輸入信號R(t)的作用下,跟隨性能指標(biāo)可用來描述系統(tǒng)輸出量C(t)態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值C的偏差越小越好，達(dá)到C的時間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升①上升時間tr經(jīng)過的時間稱為階躍響應(yīng)的上升時間,它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性,見圖2－4。4/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，超調(diào)量輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與=max100%=max100%C(2－10)③調(diào)節(jié)時間t系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢的衡量可以用調(diào)節(jié)時間來衡量。在原則上，應(yīng)該過渡過程到一定時間就終止了。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近,取帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間,可見圖2－4。(2)抗擾動能力性能指標(biāo)能5/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計max系統(tǒng)在穩(wěn)定條件下運(yùn)行時,突加一定數(shù)值的擾動(如負(fù)載擾動)后引起轉(zhuǎn)速maxmax1百分?jǐn)?shù)C/C100%來表示(或用某基準(zhǔn)值C的百分?jǐn)?shù)C/C100%max1bmaxb來表示)。在動態(tài)降落后輸出量逐漸恢復(fù)，達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值C,(CC)是系統(tǒng)212在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差,即靜差。一般情況下,動態(tài)降落大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)在突加額定負(fù)載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落叫做動態(tài)降落n。②恢復(fù)時間t從階躍擾動作用開始,到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài),距新穩(wěn)態(tài)值C之差進(jìn)入2bvb實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。CFC121CFttt0ttv6/23+-+-。TTAUIdMn+-Un-ASRi++Ud-UiASRACR節(jié)器TA─電流互感器UPE─電力電子變換器U─轉(zhuǎn)速反饋電壓U*─電流給定電壓ninU─電流反饋電壓i直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計7/233雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)，每一環(huán)都有調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個完整的環(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)計完成以后，把電流環(huán)看成速環(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iRiRms+neoineoi--oia(1)電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡1ciTT圖3-3點畫線框內(nèi)的為電流環(huán)，ciTT8/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)干擾的條件是(3－4)式中─電流環(huán)開環(huán)截止頻率。ci將給定信號及反饋濾波同時移至環(huán)內(nèi)前向通道上,再將給定信號變成，則電流環(huán)將等效為單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。11最后，由于一般情況下Toi和T都cis3Tl多,從而可當(dāng)作小慣性群近似地看成是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為s看成是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為T=T+Tisoi則電流環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化的近似條件為i從靜態(tài)要求上看，希望電流無靜差。從動態(tài)要求上看，電樞電流不允許有型的,其傳遞函數(shù)用如下式子表示KK?KKK=is－7)ITRiiKi─電i)節(jié)器的比例系數(shù)。KI(s)T=TT=Til(3－8)環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖變成圖3-4所示的典型形式，其中(3－9)9/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計圖3－2校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1cicis②不考慮反電動勢的變化對電流環(huán)的動態(tài)影響13ciTciml③電流環(huán)小慣性群的近似處理1cici3soi(3-12)(3)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算由(3-6)得，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為K和，而已經(jīng)選定,需要求的只K,iiiiiTi1Kci2T再結(jié)合式(3-6)和式(3-7)可得Kli2KTsiRRT2KTsi(3(33.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(1)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可看作轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一個環(huán)節(jié)，因此，需要先求其閉環(huán)的傳函數(shù)W(s)：cli10/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計K IW(s)=I(s)d==cliU*(s)xiT1KKKIII不考慮高次項,W(s)可以降低階次近似表示成clicli1KI(3-16)近似條件式為1Kcn3Txi(3-17)式中，O─轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一環(huán)節(jié)其輸入量為U*(s),于是電流環(huán)可在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)i1I(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇號變?yōu)閁*(s)a，再將兩個時間常數(shù)為1K和nIon似成一個時間常數(shù)為T的慣性環(huán)節(jié)，其中xxn1KI(3-19)又想滿足好的動態(tài)性能指標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)要有兩個積分環(huán)節(jié),因此設(shè)計為Ⅱ型系統(tǒng),也使用比例積分(PI)調(diào)節(jié)器,它的傳遞函數(shù)可表示為：ASRTsn11/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計nn(3-2W(s)=Kn(Tns+1)=(3-2nT(s)CTs(Ts+1)TCTs2(Ts+1)nemnnemn令轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益K為N則上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下:(3-24)KaRK=nNTCTnemW(s)=ns2(Ts+1)KKcn3IKnT(3)轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器包含K和T兩個參數(shù)。依據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)關(guān)系,nnnn(3-26)再據(jù)式K==2h+1=(1)2h+1=h+1,得lcl2hT22h2T2K12/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(3-27)于是Kn2haRT(3-28)跟隨性能及抗擾性能適中，所以,一般情況下選擇h=5為好。3.3閉環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)在電流環(huán)之外,控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,輸出作為電流環(huán)的給定值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。電流環(huán)控制電動機(jī)的電流，輸出整流觸發(fā)裝置的觸發(fā)電壓,可以通過調(diào)節(jié)電流快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩,以實現(xiàn)快速加減速。兩個控圖3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.4設(shè)計實例NNNslm13/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計N轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)：10Vn0.007Vmi/r。0.03Nl8.1110T0.0037in(1)整流裝置的滯后時間常數(shù)T。設(shè)計成三相橋式全控整流電路，其平均失控sslaI136Noi為了基本濾平波頭，應(yīng)有(1~2)T=3．33ms，于是取T=2ms=0.002s。oioi(3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和T。按小時間常數(shù)近似處理,取T=T+T＝0．0iisoi037s。2.選擇電流環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差,可按典型Ⅰ型系i統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是兩個慣性環(huán)節(jié),因此可用比例積分(PI)型調(diào)節(jié)器設(shè)計電流環(huán)，其傳遞函數(shù)為W(s)K(s1)ii。ACRsi14/2311TTml直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計il0.50.5iIiIT037iK400.05sciI(1)校驗晶閘管三相全控橋式整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件11ci(3)校驗電流環(huán)內(nèi)的動態(tài)時間常數(shù)的近似條件115/23(2)轉(zhuǎn)速環(huán)較小的時間常數(shù)的近似條件為(2)轉(zhuǎn)速環(huán)較小的時間常數(shù)的近似條件為直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計KIxiI1Kxixn1xnKonIASRTsnnxnxn于是，可得轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器(ASR)的比例系數(shù)為xn4．近似條件的校驗轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性中的截止時的頻率為cnNn(1)電流環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)的簡化條件為KI=T3xiI=T3xi0.0037cn16/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計11KIcn滿足條5.轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校核RnTCmbTCmbbnCn*be17/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)理論設(shè)計結(jié)果，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖4-100.5In1Out1TransferFcn3Gain4Step1TransferFcn40.050.002s+1TransferFcn50.0070.01s+1400.0017s+1Subsystem10.002s+1SaturatiansferFcnSubsystem10.01s+1StepTransferFcn620.03s+1TransferFcn2ScopeIn1Out1K-1-K-1-K-1Out1Gain1-K-K-Gain1IntegratorInIn1Out1Subsystem--K-Gain21-K-1Out1sInIn1Out1ubsystem(a)節(jié)器ACR(b)電流調(diào)18/23直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計00000.511.5直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計19/23800004002000