運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計--雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計</p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　設(shè)計題目：雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　電氣工程學(xué)院</b></p><p>　　一、課程設(shè)計任務(wù)書 </p>&

2、lt;p><b>　　1.設(shè)計參數(shù) </b></p><p>　　三相橋式整流電路，已知參數(shù)為：</p><p>　　PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,電動勢系數(shù)Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14Ω，允許電流過載倍數(shù)λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75,電磁時間常數(shù)Tl=0.031s,機電時間

3、常數(shù)Tm=0.112s電流反饋時間常數(shù)Toi=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓U*nm=U*in=U*cm=10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40KΩ。</p><p><b>　　2.設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　1）根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。</p>&l

4、t;p>　　2） 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　3）動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。</p><p>　　4） 利用MATLAB進行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。</p><p>&

5、lt;b>　　3.設(shè)計要求： </b></p><p>　　1）該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。</p><p>　　2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。</p><p>　　3）動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn≤10%，電流超調(diào)量，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)

6、節(jié)時間）。</p><p>　　4)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)。</p><p>　　5)主電路采用三項全控橋。</p><p>　　4. 課程設(shè)計報告要求 </p><p>　　1）、要求在課程設(shè)計答辯時提交課程設(shè)計報告。</p><p>　　2）、

7、報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：</p><p><b>　　A、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p><b>　　調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計</b></p><p>　　Simulink仿真</p><p>　　B、系統(tǒng)調(diào)試過程介紹，在調(diào)試過程

8、中出現(xiàn)的問題，解決辦法等；</p><p>　　C、課程設(shè)計總結(jié)。包括本次課程設(shè)計過程中的收獲、體會，以及對該課程設(shè)計的意見、建議等；</p><p>　　D、設(shè)計中參考文獻列表；</p><p>　　E、報告使用B5紙打印，全文不少于2000字。</p><p><b>　　5. 參考資料</b></p>

9、<p>　　[1] 朱仁初，萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.</p><p>　　[2] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[3] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M],第三版. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007年6月．</p><p>　　[4]

10、 孔凡才．晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)［M］．北京:北京科技出版社，1985．</p><p>　　[5] 段文澤，童明倜.電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設(shè)計［M］.四川：重慶大學(xué)出版社,1989.10.</p><p>　　[6] 運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書. </p><p>　　6. 設(shè)計進度（2012年12月3日至12月14日）</p><p>　　

11、7. 課程設(shè)計時間及地點</p><p>　　2012年12月3日～2012年12月14日</p><p>　　上午8：00～11：00；下午13：00~16：00</p><p>　　設(shè)計地點：新實驗樓，運動控制實驗室（310）</p><p><b>　　二、評語及成績</b></p><p>

12、;<b>　　運動控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　班 級： 自動化0942 </p><p>　　姓 名： 周孝紅 </p><p>　　學(xué) 號： 08號 </p>&l

13、t;p>　　指導(dǎo)教師： 雷霞 </p><p>　　撰寫日期： 2012-12-11 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析2</p><p&g

14、t;　　1.1 課程設(shè)計題目2</p><p>　　1.2 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析2</p><p>　　1.2.1 課程設(shè)計內(nèi)容2</p><p>　　1.3 課程設(shè)計要求分析2</p><p>　　第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理4</p><p>　　2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹4<

15、/p><p>　　2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成5</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性6</p><p>　　2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8</p><p>　　2.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型8</p><p>　　2.4.2 起動過程分析9<

16、;/p><p>　　第三章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計12</p><p>　　3.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計原則12</p><p>　　3.2 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較12</p><p>　　3.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計13</p><p>　　3.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡和結(jié)構(gòu)的選擇13</p><

17、p>　　3.3.2 時間常數(shù)的計算15</p><p>　　3.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)15</p><p>　　3.3.4 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)16</p><p>　　3.3.5 校驗近似條件16</p><p>　　3.3.6 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容17</p><p>　　3.4

18、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計18</p><p>　　3.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡18</p><p>　　3.4.2 確定時間常數(shù)19</p><p>　　3.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.4.4 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)20</p><p>　　3.4.5 檢驗近似條件20<

19、;/p><p>　　3.4.6 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容21</p><p>　　第四章 Simulink仿真23</p><p>　　4.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計23</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計23</p><p>　　4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計25</p>&l

20、t;p><b>　　課程設(shè)計總結(jié)26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(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

21、具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(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系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和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)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制

22、動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡</p

23、><p>　　隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。</p>

24、<p>　　第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析</p><p>　　1.1 課程設(shè)計題目</p><p>　　雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　1.2 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析</p><p>　　1.2.1 課程設(shè)計內(nèi)容</p><p><b>　　1.設(shè)計參數(shù) </b><

25、;/p><p>　　三相橋式整流電路，已知參數(shù)為：</p><p>　　電動機的各項參數(shù):PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,</p><p>　　電動勢系數(shù)Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14Ω，允許電流過載倍數(shù)λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75,電磁時間常數(shù)Tl=0.031s,機電時間常數(shù)Tm=0.

26、112s電流反饋時間常數(shù)Toi=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓U*nm=U*in=U*cm=10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40KΩ。</p><p><b>　　2.設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　1）根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。</p><p>

27、　　2） 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　3）動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。</p><p>　　4） 利用MATLAB進行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。</p><p>　　1.3 課程

28、設(shè)計要求分析</p><p>　　1）該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。</p><p>　　2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。</p><p>　　3）動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn≤10%，電流超調(diào)量，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）。</p><p

29、>　　4)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)。</p><p>　　5)主電路采用三項全控橋。</p><p>　　第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹</p><p>　　雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快

30、、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　在單閉環(huán)系統(tǒng)中，

31、只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。</p><p>　　(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程<

32、/p><p>　　圖2.1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　在實際工作中，我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時，啟動電流

33、成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。</p><p>　　實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一

34、個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

35、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。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)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜

36、差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。</p><p>　　圖2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　圖中U*n、Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR—電流調(diào)節(jié)器；TG—測速發(fā)電機；TA—電流互感器；UPE—電力電子變換器</p>

37、;<p>　　2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性</p><p>　　圖2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值；不飽和——輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使

38、該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。</p><p>　　實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。</p><p>　　1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和</p><p>　　這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，</p><p

39、>　　= == （1-1）</p><p>　　= = （1-2）</p><p>　　由式（1-1）可得：n==</p><p>　　從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，<可知<，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水

40、平的特性。</p><p><b>　　2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</b></p><p>　　這時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：</p><p>　　== （1-3）</p><p>　　其中，最大電流取決于電動機的

41、容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。。</p><p>　　圖2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線</p><p>　　2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型</p>

42、<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)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5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)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。</p><p>　　圖2.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.4.2 起動過程分析</

43、p><p>　　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)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖2.6所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。</p><p>　　圖2.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p&

44、gt;　　第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動（n=0），轉(zhuǎn)速負反饋電壓，這時，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當(dāng)增加到（負載電流）時，電動機開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達到限幅值，從而使電樞電流達到所對應(yīng)的最大值（在這過程中的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即</

45、p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，——電流反饋系數(shù)。</p><p>　　速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。</p><p>　　第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負反饋不起調(diào)

46、節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。</p><p>　　第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉(zhuǎn)速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維

47、持在限幅值，所以電動機仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電流，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變

48、化。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　ACR的輸出電壓為</b></p><p><b&

49、gt;　?。?-5）</b></p><p>　　由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。</p&

50、gt;<p>　　綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：</p><p>　?。?）飽和非線形控制：隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超

51、調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。</p><p>　?。?）準時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程Ⅰ、Ⅱ兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時

52、間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。</p><p>　　第三章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計</p><p>　　3.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計原則</p><p>　　為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：</p><p&

53、gt;　　1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)； </p><p>　　2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；</p><p>　　3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。</p><p>　　為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的需要。</p><p>　　建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：</p><p&g

54、t;<b>　　概念清楚、易懂；</b></p><p>　　計算公式簡明、好記；</p><p>　　不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；</p><p>　　能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；</p><p>　　適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。</p><

55、;p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗等內(nèi)容。</p><p>　　在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。</p><p>　　3.2 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系

56、統(tǒng)的性能比較 </p><p>　　許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：</p><p>　　根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。自動控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的，而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)，典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p

57、><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(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)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖耍谵D(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電

58、流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計為Ⅰ型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為Ⅱ型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時間常數(shù)Ts和電流濾波時間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié)，取T∑i=Ts+Toi。這樣，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計成典型Ⅰ型系統(tǒng)，同理，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉(zhuǎn)速

59、環(huán)的被控對象形如式(2-1)。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成PI型調(diào)節(jié)器，如下式所示:</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　3.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　3.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡和結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可

60、以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E≈0。這時，電流環(huán)如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡</p><p>　　忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：</p><p>　　式中-------電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給

61、定信號改成U*i(s) / ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。</p><p>　　圖3.2 等效成單位負反饋系統(tǒng)</p><p>　　最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為</p><p>　　T∑i = Ts + Toi </p><p>　　則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖

62、3.3</p><p>　　圖3.3 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理</p><p>　　3.3.2 時間常數(shù)的計算</p><p>　　1、直流電機參數(shù) </p><p>　　PN=555KW, PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,電動勢系數(shù)Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14Ω，允許

63、電流過載倍數(shù)λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75。電磁時間常數(shù)Tl=0.031s,機電時間常數(shù)Tm=0.112s電流反饋時間常數(shù)Toi=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓U*nm=U*in=U*cm=10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40KΩ。 </p><p>　　2、整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s。</p><p>　　3、電流濾波時

64、間常數(shù)Toi=0.002s。</p><p>　　4、電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i=Ts+Toi=0.0017s +0.002s =0.0037s。</p><p>　　5、電樞回路電磁時間常數(shù)Tl=0.031s。</p><p>　　6、電力拖動系統(tǒng)機電時間常Tm=0.112s。</p><p>　　3.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)<

65、/p><p>　　要求電流無靜差，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 </p><p>　　電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 </p><p><

66、;b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中 Ki — 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　i — 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能：</p><p>　　參照典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項指標(biāo)都是可以接受的。</p>

67、<p>　　3.3.4 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.031s。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求δi＜5%時，應(yīng)取KIT∑i=0.5，因此</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　　3.3.5 校驗近似條件</p><p&g

68、t;　　電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1；</p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p>&l

69、t;p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　3.3.6 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容</p><p>　　圖3.4 PI型電路調(diào)節(jié)器的組成</p><p>　　按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為：</p><p&g

70、t;　　3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　3.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效</p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖3.5所示</p><p&g

71、t;　　和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(s)/，再把時間常數(shù)為1 / KI 和 T0n 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p>　　圖3.5 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖3.6</p><p>　　圖3.6 等效成單位負反饋

72、系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.4.2 確定時間常數(shù)</p><p>　　1、電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由電流環(huán)參數(shù)可知KIT∑i=0.5，則</p><p>　　2、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.02s</p><p>　　3、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T∑n。按小時間常數(shù)近似處理，取<

73、/p><p>　　3.4.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p>

74、;<p>　　式中 Kn — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　n — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　3.4.4 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：</b&g

75、t;</p><p>　　ASR的比例系數(shù)為：</p><p>　　3.4.5 檢驗近似條件</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 </p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近

76、似處理條件為</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　3.4.6 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　圖3.7 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的組成</p><p><b>　　取R0=40k，則</b></p><p>　　當(dāng)h=5時，查詢典型Ⅱ型

77、系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的表格可以看出，不能滿足設(shè)計要求，需要添加微分負反饋：</p><p>　　第四章 Simulink仿真</p><p>　　4.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計</p><p>　　校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過化簡和相關(guān)計算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖：</p><p>　　圖3.8 電流環(huán)的仿真模型&

78、lt;/p><p>　　圖3.9 電流環(huán)的仿真結(jié)果</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計</p><p>　　校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過化簡和相關(guān)計算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如下圖：</p><p>　　圖3.10 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型</p><p>　　圖3.11 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真結(jié)果</

79、p><p>　　4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計</p><p>　　圖3.12 雙閉環(huán)的仿真模型</p><p>　　圖3.13 雙閉環(huán)的仿真結(jié)果</p><p><b>　　課程設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　時光飛逝，歲月如梭，轉(zhuǎn)瞬間，一周的運控課設(shè)就這樣匆匆結(jié)束了，仍有種意猶未盡

80、的感覺。雖課設(shè)僅短短一周，但我學(xué)到的卻是頗多。</p><p>　　對于運控這門課程，只是上課聽老師講一些理論的東西，對它在現(xiàn)實生活的應(yīng)用并不了解，也不知道其具體到生活中都有哪些作用。只覺得這是一門專業(yè)課程，并沒有引起自己對這門課程的興趣。直到這次課設(shè)，老師給我們講解了雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，還講了其在生活中的應(yīng)用。使我對這門課程有了一定的了解，同時也對這門課程有了一定的興趣。本次課程設(shè)計除了自己設(shè)計與計算調(diào)

81、節(jié)器的參數(shù)外，還用了Simulink仿真。雖這也不是我第一次使用這個軟件了，但這軟件的龐大功能使我不得不佩服，至今對它仍還是有太多太多的不知道，但我相信，總有那么一天，我會達到我想要達到的結(jié)果。</p><p>　　其實，在這次課程設(shè)計中，我遇到了很多問題，除了自己查閱資料，和同學(xué)討論，再加上雷老師耐心的指導(dǎo)，基本所以問題都解決了。不得不感慨，生活中的許多問題不也這樣嗎？只要我們肯去努力，肯用心，肯下功夫，似乎沒

82、有什么是解決不了的。生活如此，生命也如此。</p><p>　　我想，在以后的生活中，我會花更多的時間去學(xué)習(xí)運控這門課程。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　楊蔭福、段善旭、朝澤云.電力電子裝