運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)---轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)整系統(tǒng)

1、<p>　　轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)整系統(tǒng)</p><p>　　摘要：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)整系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛性能最好的直流調(diào)整系統(tǒng)。它的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交流、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。在閉環(huán)控制的直流系統(tǒng)中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)整系統(tǒng)中，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差。但是如果對(duì)系統(tǒng)的要求比較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就很難滿足要求。</p>

2、;<p>　　關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)系統(tǒng)；直流調(diào)速；轉(zhuǎn)速；電流</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 系統(tǒng)原理1</p><p>　　1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2</p><p>　　1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2</p><p>　　1

3、.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用2</p><p>　　第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1 電流調(diào)節(jié)器的分析3</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的分析4</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)參數(shù)5</p><p>　　2.4 電流環(huán)的設(shè)計(jì)5</p><p&g

4、t;　　2.5 速度環(huán)的設(shè)計(jì)6</p><p><b>　　總結(jié)與體會(huì)10</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p><b>　　附 錄12</b></p><p><b>　　系統(tǒng)原理</b></p>

5、<p>　　許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾

6、動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在

7、實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡</p><p>　　圖1-1 雙閉環(huán)直流電機(jī)高速系統(tǒng)</p><p>　　1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　閉環(huán)控制的目的是把受控的輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋回輸入端,并且參與控制新一輪的輸出。雙閉環(huán)是在單閉環(huán)的

8、基礎(chǔ)上引入了可以抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的電流反饋,因此有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖1-1所示</p><p>　　1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出

9、電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中把電樞電流顯露出來(lái)。</p><p>　　1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?。?） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理</p><p>　　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

10、最大電流。</p><p>　?。?） 電流調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　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)；</p><p>　　當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護(hù)作用。當(dāng)故障消失時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。</p>&l

11、t;p><b>　　第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，所構(gòu)建的系統(tǒng)是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.1 電流調(diào)節(jié)器的分析</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求啟動(dòng)時(shí)電流超調(diào)量并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差。一般說(shuō)來(lái)典型

12、Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差;而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好。在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問(wèn)題,所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可用型電流調(diào)節(jié)器，器傳遞函數(shù)見(jiàn)公式（2-1）。</p><p><b>

13、;　?。?-1）</b></p><p>　　-----------------電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)</p><p>　　-----------------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為式（2-2）：</p><p><b>　　（2-2）</b></p>

14、<p>　　因?yàn)椋赃x擇，用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消除控制對(duì)象中的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，以便校正成典型型系統(tǒng)，因此</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中，電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示</p><p>　　有因?yàn)殡娏鞯某{(diào)量，查表典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 故選</p><p

15、><b>　　，則</b></p><p>　　圖2-2 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的分析</p><p>　　和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋波同時(shí)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，并將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p&g

16、t;<b>　　(2-3)</b></p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)該共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣就同時(shí)滿足同臺(tái)抗擾性能好的要求。所以ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，器傳遞函數(shù)為</p><p><b>

17、　　(2-4)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)參數(shù)</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表2-1</p><

18、p>　　表2-1 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)</p><p>　　2.4 電流環(huán)的設(shè)計(jì)</p><p>　　（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。按文獻(xiàn)，單相橋式電路的平均失控之間=0.005s。</p><p>　?。?）電流濾波時(shí)間常數(shù)。單相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是20ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有=20ms，因此去=0.0025s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。</p>

19、<p>　　（3）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求：%≤5%，可按典型Ⅰ型設(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,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的.</p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能: <10由附錄表二,各項(xiàng)指標(biāo)可接受.</p><p>　?。?）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　AC

20、R超前時(shí)間常數(shù)=0.001s；電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益，ACR的比例系數(shù)。</p><p><b>　?。?）校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率，</b></p><p>　?。?） 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，現(xiàn)為，滿足近似條件；</p><p>　?。?）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)

21、電流環(huán)影響的條件：</p><p><b>　　現(xiàn)為滿足近似條件；</b></p><p>　?。?）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，</p><p>　　現(xiàn)為，滿足近似條件。</p><p>　?。?)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-2所示，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻

22、和電容值計(jì)算如下：</p><p>　　圖2-3 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2

23、.5 速度環(huán)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　?。?）確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　①電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：=</p><p>　?、谵D(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：</p><p>　?、坜D(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：。</p><p>　?。?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p&g

24、t;　　按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要Ⅱ由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng)—選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　?。?）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：</b></p><p><

25、b>　　ASR的比例系數(shù)：</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：</b></p><p><b>　?。?）近似校驗(yàn)</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為：</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：，滿足條件；</

26、p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù)的近似處理?xiàng)l件：，滿足條件;</p><p>　　(5)調(diào)節(jié)器的電阻和電容</p><p>　　圖2-3 含給定濾波與反饋濾波PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量得計(jì)算</p><p>　　如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器沒(méi)有飽和限幅的約束，調(diào)速系統(tǒng)可以在很大范圍內(nèi)線性工作，則雙閉

27、環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速過(guò)度過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量（如上所述）。實(shí)際上，突加給定電壓后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快就進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸入很定的限幅電壓，使電動(dòng)機(jī)在恒流條件下啟動(dòng)，啟動(dòng)電流，而轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)規(guī)律如圖2-3所示。雖然這時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程要比調(diào)節(jié)沒(méi)有限幅時(shí)慢的多，但為了保證啟動(dòng)電流不超過(guò)允許值，這是必須的。</p><p>　　圖2-4 ASR有飽和限幅時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程</p><p&

28、gt;　　在典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中，由下式表達(dá)的的基準(zhǔn)值是</p><p><b>　　所以的基準(zhǔn)值應(yīng)該是</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　令 為電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載倍數(shù)，即；為負(fù)載系數(shù)，；</p><p>　　為調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降，帶入公式

29、（2-3）得</p><p>　　作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是，因此退飽和超調(diào)量可以由文獻(xiàn)中表3-5列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準(zhǔn)值算后求得，</p><p><b>　　帶入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得</b></p><p><b>　　能滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p><b>　　總結(jié)與體會(huì)</b&

30、gt;</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，使我對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運(yùn)用有了一定的認(rèn)識(shí)，在一定程度上了解了自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、思路。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我是按照自動(dòng)控制系統(tǒng)課上學(xué)到的設(shè)計(jì)步驟來(lái)做，首先熟悉系統(tǒng)的工藝和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，再對(duì)對(duì)象進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)總體方案，其間與同學(xué)進(jìn)行幾次方案的討論、修改，再討論、再修改，最后定案，確定最終方案，然后設(shè)計(jì)硬件部分，安照實(shí)驗(yàn)資料選取適當(dāng)?shù)挠布?huà)出對(duì)應(yīng)的電路圖，接著設(shè)計(jì)控制器，

31、以及各部分的功能模塊的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)對(duì)初次接觸有一定的難度，但我老師的指導(dǎo)下和同學(xué)們的幫助下，最終完成這次課程設(shè)計(jì)。通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)我同時(shí)也體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的樂(lè)趣和優(yōu)點(diǎn)。但是，通過(guò)設(shè)計(jì)我也明白一點(diǎn)，我們上課所學(xué)到的知識(shí)在做本設(shè)計(jì)時(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不夠的，只是設(shè)計(jì)的一點(diǎn)皮毛而已。平常我們應(yīng)該擴(kuò)大自己得知識(shí)面。經(jīng)過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，不僅在書(shū)上學(xué)到的知識(shí)得到了鞏固而且加強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)踐能力。</p>

32、<p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[2] 鄒伯敏.自動(dòng)控制理論.機(jī)械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3] 章燕申,袁曾任.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐.清華大學(xué)出版社,1992.3</p><p>