雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及(精)

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及matlab仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1初始條件:不可逆的生產(chǎn)設(shè)備,采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),其整流裝置采用三相橋式整流電路,系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下:直流電動(dòng)機(jī):750nomUV=,760nomIA=,375minnomnr=,1.82mineCVr=,允許過(guò)載倍數(shù)1.5九=;時(shí)間常數(shù):0.031LTs=,0.112mTs三晶閘管放大倍數(shù)：75sK=;主回路總電阻:0.14R=Q;額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓*10nUV=，調(diào)節(jié)器ASR、ACR飽和輸出回路電壓*10imUV=,10cmUV=。1.2設(shè)計(jì)要求穩(wěn)態(tài)指標(biāo):穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。動(dòng)態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量5%io<,空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%no<o求雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng),在起動(dòng)（或制動(dòng)過(guò)程中,希望始終保持電流為允許的最大值,使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減速運(yùn)行。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí),最好使電流立即降下來(lái),使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡,從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。采用單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,因而只能采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器。2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行嵌套連接。如下圖所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。uuASRuuHhUPEACRuuASRuuHhUPEACR由于題目要求穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差,因而調(diào)節(jié)器必須采用相應(yīng)的積分器調(diào)節(jié)器,故相應(yīng)轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)電流內(nèi)環(huán)也采用相應(yīng)的PI調(diào)節(jié)器也能實(shí)現(xiàn)很好的動(dòng)、靜態(tài)特性。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)相應(yīng)處理可以得到相應(yīng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下:+-LrUUMRRLrUUMRRE其中（ASRWs和（ACRWs分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞環(huán)視。為了引出電流反饋，在動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中引出相應(yīng)的電樞電流dI，而a表示轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),卩表示電流反饋系數(shù)。2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析2.3.1起動(dòng)過(guò)程分析從電流與轉(zhuǎn)速變化過(guò)程所反映出的特點(diǎn)可以將起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段:電流上升階段:突加給定電壓*nU后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用,cU、OdU、dI均上升，但是在dI沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流dLI以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)ddLIIN后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng),由于幾點(diǎn)慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓（*cnnUUUA=-的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值*imU，強(qiáng)迫電樞電流dI迅速上升直到ddmII*iimUU?電流調(diào)節(jié)很快就壓制了dI的增長(zhǎng)。該階段結(jié)束，此階段中,ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。恒流升速階段:此階段中,ASR始終是飽和的,轉(zhuǎn)速換相當(dāng)于開環(huán),系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)速系統(tǒng),基本上保持電流很定,因而系統(tǒng)加速度恒定,轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段:當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值是,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零,但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值,所以電動(dòng)機(jī)仍在加速,使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后,ASR輸入偏差為負(fù),使它開始推出飽和狀態(tài),電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下調(diào)速,直到穩(wěn)態(tài)。此階段中,ASR和ACR都不飽和,ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用,而ACR則力圖使dI很快地跟隨其給定值*iU。起動(dòng)過(guò)程歸納的特點(diǎn)有:(1飽和非線性控制(2轉(zhuǎn)速超調(diào)(3準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制2.3.2動(dòng)態(tài)抗擾性能分析一般來(lái)說(shuō),對(duì)于調(diào)速系統(tǒng),一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)性能就是抗擾性能,主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。抗負(fù)載擾動(dòng):負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)后,因而只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)作用?？闺娋W(wǎng)電壓擾動(dòng):在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小的多。2.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器作用(1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(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很快的跟隨給定電壓變化,穩(wěn)態(tài)時(shí)可以減小轉(zhuǎn)速誤差,若采用PI調(diào)節(jié)器，則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。(2電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中,它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓*iU（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中,保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流,從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí),限制電樞電流的最大值,起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失,系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可以按照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器。原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。步驟是:先從電流環(huán)（內(nèi)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)的控制要求確定把它校正成那一類典型系統(tǒng)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后,把電流環(huán)等效成轉(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)。2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)下圖所示是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖:實(shí)際上,反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比,它代表對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下,系統(tǒng)的電磁時(shí)間常熟遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常熟,因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流慢很多。對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō),反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng),在電流的瞬變過(guò)程中,可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變。這樣,在按動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí),可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響。(1確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間sT的確定。查書上表2-2可以知道,三相橋式電路的平均失控時(shí)間為0.0017ssT=。電流濾波時(shí)間常數(shù)oiT的確定。三相橋式整流電路的每個(gè)波頭的時(shí)間3.3ms,為了基本濾平波頭,應(yīng)有(123.33oiTms=,因此取20.002oiTmss==。由于sT和oiT一般都比lT小的多，可以當(dāng)做小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)為0.0037isoiTTTs》=+=(2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%ia<,并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，因而可以按照典型I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。其傳遞函數(shù)如下:由此可以得到電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)由于LiTT工,因而可選取調(diào)節(jié)器的0.031iLTst==以消除控制對(duì)象中大慣性(1(iiASRiKsWsstt+=(1((1(1iisopiiLiKsKRWssTsTsTpT^+==++環(huán)節(jié)，以便校正成典型I型系統(tǒng)，因此相應(yīng)的可以得到校正后的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)女口下Wopi（s=KipKsRKiKI==tis（T口s+1TLs（T口s+1s（T口s+1（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：ti=TL=0.031s。電流開環(huán)增益：由于題設(shè)要求電流超調(diào)量oi<5%，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量on<10%。查表可以知道應(yīng)取KIT口=0.25。因此KI=0.250.25==67.57T口0.0037故相應(yīng)的可以得到ACR的比例系數(shù)為KtR67.57x0.031x0.14Ki=Ii=-0.44475x0.0088Ksp對(duì)于上述雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用如下：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當(dāng)偏差電壓為零時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。（2）電流調(diào)節(jié)器的作用：在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓變化；對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動(dòng)；當(dāng)電機(jī)過(guò)載