雙閉環(huán)直流調(diào)速設(shè)計和matlab仿真課程設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　任務(wù)目的···························

2、;································2</p><p>　　雙閉環(huán)

3、直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的目的···································

4、;····2</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成··························

5、83;················3</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計框圖··············

6、;·························4</p><p>　　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····&#

7、183;························5</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)······

8、····································

9、3;6</p><p>　　啟動過程的特點(diǎn)·······························&

10、#183;·····················7</p><p>　　MALTAB仿真·········

11、83;····································&

12、#183;··········8</p><p>　　參考文獻(xiàn)·····················&

13、#183;····································

14、;10</p><p><b>　　任務(wù)目的</b></p><p>　　由于世界科技技術(shù)在日益發(fā)展，在工業(yè)要求不斷提高的社會上，我們要積極努力追求著創(chuàng)新。這次我們可以由分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)來了解發(fā)展所需的技術(shù)。由于直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。采用速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可

15、以充分利用電動機(jī)的過載能力獲得最快的動態(tài)過程，調(diào)速范圍廣，精度高，和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性，動態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)用來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；該系統(tǒng)可以自動限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響；且采用雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比，因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。通過這次課程設(shè)計來掌

16、握雙閉環(huán)工作過程和特征。</p><p>　　二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的目的</p><p>　　在帶有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流波形圖如圖1-(a)所示，當(dāng)電流上升到臨界截止電流值之后，電流截止負(fù)反饋起作用，這時雖能限制了最大起動電流的沖擊，但維持最大起動電流的時間是短暫的，維持最大允許起動力矩的時間也就極短，這就不能充分利用電動機(jī)的過載能力，獲得最快起動響應(yīng)。如果

17、調(diào)速系統(tǒng)在起動過程中電流和轉(zhuǎn)速的波形圖，達(dá)到如圖1-（b）所示的理想快速起動過程，那么電機(jī)在整個起動過程中就能恒流加速起動，實(shí)現(xiàn)允許條件下的最短起動時間控制。</p><p>　　(a)帶電流截止負(fù)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</p><p>　　圖1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形圖</p><p>　　雙

18、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　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)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，如圖2所示，即把轉(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。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)

19、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?yàn)镻I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(yùn)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)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)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 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　圖中U*n、

20、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(jī)；TA—電流互感器；UPE—電力電子變換器。</p><p>　　四、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計框圖</p><p>　　在生活中，直接提供的是三相交流760V電源，而直流電機(jī)的供電需要三相直流電， 因此要進(jìn)行整流，本設(shè)計采用三相橋式整流電路將三相交流電源變

21、成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動機(jī)。如圖2-1設(shè)計的總框架。</p><p>　　圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計總框架</p><p>　　三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。 </p><p>　　驅(qū)動電路是電力電子主電路

22、與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)， 它將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。本設(shè)計使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動電路對半控型只需要提供開通控制信號，對于晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精

23、度；電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。</p><p>　　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4：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4

24、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(dá)到限幅值；不飽和——輸出未達(dá)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(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)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&g

25、t;<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>　　= == （1-1）</p><p>　　= = （1-2）</p><p>　　由式（1-1）可得：n==</p><p>　　

26、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(yùn)行段，它是一條水平的特性。</p><p><b>　　2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</b></p><p>　　這時，ASR輸出達(dá)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

27、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(jī)的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?yàn)槿绻瑒t，ASR將退出飽和狀態(tài)。</p><p>　　圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線<

28、/p><p>　　六、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)</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(jī)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6：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖&

29、lt;/p><p><b>　　七、啟動過程的特點(diǎn)</b></p><p>　　圖7 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>　　第一階段為電流上升階段。ASR從不飽和迅速達(dá)到飽和，而ACR不會飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　第二階段為恒流升速階段。在起動過程中ACR不能飽和，同時晶

30、閘管整流裝置也不應(yīng)飽和，即整流輸出電壓最大值應(yīng)留有余地。</p><p>　　第三階段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。ASR和ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR起主導(dǎo)調(diào)節(jié)作用，而ACR的作用是力圖使Id盡快地根跟隨的變化，電流內(nèi)環(huán)處于從屬地位，成為一個電流隨動子系統(tǒng)。</p><p>　　八、MALTAB仿真</p><p><b>　?。ㄒ唬╇娏?/p>

31、環(huán)參數(shù)：</b></p><p>　　要求電流無靜差，實(shí)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

32、><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>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.0625s。</p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑=Ts+Toi=0.005s +0.005s =0.01s</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增

33、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><b>　　(二)轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)：</b></p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)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(diǎn)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

34、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><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>　　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>

35、<p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：</b></p><p>　　ASR的比例系數(shù)為：</p><p><b>　　（三）雙閉環(huán)仿真</b></p><p>　　通過參數(shù)在MATLAB7.0實(shí)現(xiàn)仿真得到如圖9。</p><p><b>　　圖8 仿真模型</b>&

36、lt;/p><p>　　圖9 雙閉環(huán)的仿真結(jié)果</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運(yùn)動控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　2.楊蔭福、段善旭、朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2006</p><