運控課程設(shè)計--直流雙環(huán)系統(tǒng)（三）的設(shè)計及仿真分析（四）

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　題 目: 直流雙環(huán)系統(tǒng)（三）的設(shè)計及仿真分析（四）</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相橋式全控整流電路。系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　直流電動機：

2、 Unom=220V ，Inom=136A ，nnom=1460r/min ，，允許過載倍數(shù)，額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓調(diào)節(jié)器ＡＳＲ，ＡＣＲ飽和輸出電壓。時間常數(shù)：TL=0.03s，Tm=0.18s，晶閘管裝置放大倍數(shù)：KS=40，電樞回路總電阻：R=0.5Ω。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　試對該系

3、統(tǒng)進行動態(tài)參數(shù)設(shè)計。設(shè)計指標：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，過渡過程時間。畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖并計算：</p><p>　　電流反饋系數(shù)β和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α；</p><p>　　設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（取）；</p><p>　　設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（?。?lt;/p><p>　　讓電機帶載

4、（，風機泵類負載）啟動到額定轉(zhuǎn)速，觀察并錄下電機的轉(zhuǎn)速、電流等的波形，并進行分析。</p><p>　　時間安排：2013.5.22 布置課程設(shè)計題目</p><p>　　2013.5.23 - 5.28 完成課程設(shè)計</p><p>　　2013.5．29 - 5.30 撰寫課程設(shè)計報告</p><p>　　2013.5.31 答辯并上交

5、報告</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，我們設(shè)置兩個調(diào)

6、節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當成電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。 </p><p>　　在起動過程中只有電流負反饋沒有轉(zhuǎn)速負反饋。達到穩(wěn)態(tài)后轉(zhuǎn)速負反饋起主導(dǎo)作用電流負反饋僅為電流隨動子系統(tǒng)在原（轉(zhuǎn)速）單閉環(huán)直流調(diào)

7、速系統(tǒng)中再添加“電流”負反饋，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：空載啟動 PI調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán) 仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計2</p><p>　　1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成2</p><p&

8、gt;　　1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)3</p><p>　　1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.電流環(huán)的設(shè)計4</p><p>　　2.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計4</p><p>　　2.2確定時間常數(shù)4</p><p>　　2.3計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)4&

9、lt;/p><p>　　2.4檢驗近似條件5</p><p>　　3.速度環(huán)的設(shè)計6</p><p>　　3.1確定時間常數(shù)6</p><p>　　3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)6</p><p>　　3.3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)6</p><p>　　3.4檢驗近似條件6</p>&

10、lt;p>　　3.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量7</p><p>　　4.MATLAB仿真8</p><p>　　4.1仿真結(jié)構(gòu)圖8</p><p>　　4.2仿真結(jié)果圖10</p><p>　　4.3仿真結(jié)果分析13</p><p>　　4.3.1啟動過程分析13</p><p>　　

11、4.3.2 負載變化擾動的調(diào)節(jié)過程14</p><p>　　5.心得體會15</p><p>　　6.參考文獻16</p><p>　　直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析</p><p><b>　　直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成<

12、/p><p>　　采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。主要原因是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能

13、很理想地控制電流的動態(tài)波形。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，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，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。</p><p>　　圖1-1 轉(zhuǎn)

14、速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1-1中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖。</p><p>　　1.2轉(zhuǎn)速

15、、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。</p><p>　　圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　實際上，在正常運行

16、時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。</p><p>　　1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)</p><p>　　在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。</p><p>　　圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖<

17、/p><p><b>　　電流環(huán)的設(shè)計</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計</p><p>　　整流裝置的滯后時間常數(shù)TS。三相半波電路的平均失控電壓</p><p><b>　　電流反饋系數(shù)</b></p><p><b>　　2.2確定時間常數(shù)&l

18、t;/b></p><p>　　三相橋式電路平均失控時間取為0.0017s。</p><p>　　電流濾波時間常數(shù)由于三相橋式電路的每個波頭的時間為3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)取到2ms左右。</p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求≤5%，并保證穩(wěn)態(tài)無誤差，因此選擇型電流調(diào)節(jié)

19、器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能： ，參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系表，可知道該典型I型系統(tǒng)動態(tài)性能各項指標都是可以接受的。</p><p>　　2.3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)：</p&

20、gt;<p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時，由典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系表可知，應(yīng)取,因此</p><p><b>　　于是的比例系數(shù)為</b></p><p><b>　　2.4檢驗近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)節(jié)截止頻率為：</p><p>

21、　　校驗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>　　校驗忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)處理條件</p><p><b&

22、gt;　　滿足近似條件。</b></p><p>　　計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　因為，，所以各電阻和電容值為：</p><p>　　參照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%5%，滿足設(shè)計要求</p><p>　　所以由公式（2-1）可得電流環(huán)的傳遞函數(shù)為</p><p>&

23、lt;b>　　速度環(huán)的設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1確定時間常數(shù)</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)=2 =2×0.0037s=0

24、.0074s</p><p>　　轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取=0.01s。</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　=+ =0.0074s+0.01s=0.0174s</p><p>　　3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按照設(shè)計要求，選用調(diào)節(jié)器

25、，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　3.3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益</b></p><p><b>　　

26、于是的比例系數(shù)為</b></p><p><b>　　3.4檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>

27、;　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件為</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　3）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由于，所以各個電阻和電容值為：</p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　取</b&

28、gt;</p><p><b>　　取</b></p><p>　　3.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當時，由典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標表查得，=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標表是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。&

29、lt;/p><p>　　由典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系表查得當時，，</p><p>　　所以 </p><p><b>　　能滿足設(shè)計要求</b></p><p>　　所以，根據(jù)上述參數(shù)，由公式（3-1）可得速度環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　

30、MATLAB仿真</b></p><p><b>　　4.1仿真結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　根據(jù)上述所設(shè)計的參數(shù)，在MATLAB中的simulink環(huán)境中對系統(tǒng)進行仿真，總結(jié)構(gòu)圖如圖4-1，轉(zhuǎn)速環(huán)ASR如圖4-2，電流環(huán)ACR如圖4-3所示。</p><p><b>　　圖4-1總結(jié)構(gòu)圖</b><

31、/p><p>　　圖4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)ASR結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖4-3 電流環(huán)ACR結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　4.2仿真結(jié)果圖</b></p><p><b>　　電機轉(zhuǎn)速n仿真波形</b></p><p>　　圖4-4 電機轉(zhuǎn)速n仿真波形圖</p>

32、<p>　　直流電動機負載電流Id仿真波形</p><p>　　圖4-5 負載電流Id波形圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Ui波形</p><p>　　圖4-6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Ui波形圖</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器輸出電壓（整流裝置輸入電壓Uct）波形</p><p>　　圖4-7電流調(diào)節(jié)器輸出電

33、壓波形圖</p><p>　　電機電樞電壓Ud0波形</p><p>　　圖4-8 電樞電壓Ud0波形圖</p><p><b>　　4.3仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　4.3.1啟動過程分析</p><p>　　設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)

34、速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于下圖。</p><p>　　圖4-9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　第Ⅰ階段，突加給定電壓，電流上升。由于機電時間常數(shù)Tm比電磁時間常數(shù)Tl得多，即電機機械慣性比電磁慣性大得多，所以轉(zhuǎn)速仍

35、然為0,則轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)速反饋電壓Un=0，因而轉(zhuǎn)速偏差電壓ΔUn = Un* - Un很大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器WASR進入飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值Uim*。此階段電流調(diào)節(jié)器試圖按照電流設(shè)定值Ui*將電樞電流Id調(diào)節(jié)到電流最大值Idm，所以電流迅速上升，而轉(zhuǎn)速的增加較小。</p><p>　　第Ⅱ階段，恒流升速階段。經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，電樞電流被調(diào)節(jié)到Idm，以充分利用電動機的過載能力，使電機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)

36、矩加速。電機轉(zhuǎn)速迅速上升。此階段由于轉(zhuǎn)速小于給定值，Un*大于Un，誤差ΔUn始終小于零，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直處于飽和狀態(tài)，其輸出一直保持Uim*。電流調(diào)節(jié)器給定一直為Uim*，因此在電流環(huán)定值控制作用下，Id保持Idm，電磁轉(zhuǎn)矩保持最大值，電機恒加速度升速。</p><p>　　第Ⅲ階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。上一階段結(jié)束時，電機轉(zhuǎn)速到達給定值，由于電機保持最大轉(zhuǎn)矩，電機繼續(xù)加速，當速度大于給定值時，ΔUn 反號，因此轉(zhuǎn)

37、速調(diào)節(jié)器逐漸退出飽和，電流環(huán)給定值變小，這時電機電樞電流在電流調(diào)節(jié)器作用下迅速變小。在Id減小到負載電流Idl之前，電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，電機加速過程變慢，但仍然處在升速過程。Id減小到Idl時，轉(zhuǎn)速到達第一次峰值，隨后，Id減小到Idl以下，因而電機電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速減小。在經(jīng)過一段調(diào)節(jié)過程后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器完全退飽和，發(fā)揮其控制作用維持轉(zhuǎn)速恒定；而電流調(diào)節(jié)器則保持電樞電流與負載電流平衡。</p><p>

38、　　由以上的分析過程可以看出，在電機啟動階段，雙環(huán)系統(tǒng)利用電機過載能力，將電樞電流調(diào)節(jié)到最大值，從而產(chǎn)生最大的加速電磁轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)獲得極好的加速性能；而調(diào)節(jié)器的限幅作用，還使電機的電樞電流得到限制，從而防止電機過載、超過電機的過載能力而導(dǎo)致電機燒毀。</p><p>　　4.3.2 負載變化擾動的調(diào)節(jié)過程</p><p>　　從圖1-3（雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖）可以看出，負載電流I

39、dl在電流環(huán)之外，因此其擾動作用無法被電流調(diào)節(jié)環(huán)抑制，而是依賴于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　當負載電流Idl突然增大時，電樞電流Id小于Idl，電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電機減速。轉(zhuǎn)速反饋電壓Un減小而小于轉(zhuǎn)速給定電壓Un*，轉(zhuǎn)速偏差ΔUn變正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器減大，使得電流調(diào)節(jié)環(huán)的給定值迅速增大，在電流調(diào)節(jié)器的作用下電樞電流迅速增大到負載電流Idl以上，從而使電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，電機加速。由于電流調(diào)節(jié)器

40、的及時調(diào)節(jié)作用，電機的轉(zhuǎn)速還沒有減速超過給定太大，即在系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用下加速。電機轉(zhuǎn)速增大到給定以上時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器又降低電流調(diào)節(jié)器的給定值Ui*，使電樞電流被調(diào)節(jié)到負載電流附近。經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速最終恢復(fù)到給定值，而電樞電流與負載電流平衡而使轉(zhuǎn)速不再變化。</p><p>　　從以上分析過程可以看出，轉(zhuǎn)速環(huán)將負載電流擾動包含其中，從而有效抑制了負載電流變化對電機轉(zhuǎn)速的干擾作用。</p><p

41、><b>　　心得體會</b></p><p>　　經(jīng)過一個多星期的努力，我收獲了很多，也發(fā)現(xiàn)了很多自己的不足之處。</p><p>　　每次做課程設(shè)計，我都從中學到了不少有用的東西，這不僅僅是有關(guān)課程的，還有許多課外的知識。這次也不例外，我不光對直流雙環(huán)系統(tǒng)有了更深刻的理解，同時對WORD 2007，MATLAB 2012 等工具的運用也更加熟練。</p

42、><p>　　回想做課設(shè)的這些天，我感覺重要的是過程而不是結(jié)果，也許我的設(shè)計有很多缺陷或者錯誤，但是在做的過程中我學到了很多平時的學習中無法學到的知識和思考方法。 </p><p>　　我覺得我們目前的知識還是十分有限的，有很多東西或許我們現(xiàn)在根本就理解不了的?？蛇@并沒有關(guān)系，關(guān)鍵是我們認真的去思考了，并且我們在這思考過程中得到了鍛煉與提高。另外，這次課設(shè)

43、讓我認識到了運動控制的復(fù)雜性以及在工業(yè)應(yīng)用中的重要性。我感到僅僅是課本上的那點知識是很有限的，我只是剛剛?cè)腴T，還有很多東西要去學。總的來說，此次課設(shè)，我感覺自己的收獲是相當豐富的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[2] 劉

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