電拖課程設(shè)計(jì)--直流雙環(huán)系統(tǒng)（二）的設(shè)計(jì)及仿真分析

1、<p>　　直流雙環(huán)系統(tǒng)（二）的設(shè)計(jì)及仿真分析（六）</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：</p><p>　　按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p>

2、;<p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示，它有電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定

3、濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。</p><p>　　圖1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　2設(shè)計(jì)方法及步驟</b></p><p>　　2.1電流反饋系數(shù)β和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α計(jì)算</p><p>　　2.2設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器

4、</p><p>　　2.2.1電流環(huán)的化簡</p><p>　　在電流環(huán)中存在四個與之相關(guān)的時間常數(shù)：、、、其大小關(guān)系是： 一般情況下，電樞時間常數(shù)Tl要遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)Tm,所以對于電流環(huán)來說反電勢是一個較慢的擾動，可以認(rèn)為在電流瞬時變化時反電勢基本不變，則電流環(huán)可化簡為如圖2.1所示：</p><p>　　進(jìn)一步簡化為：

5、 a）</p><p>　　圖2.1 電流環(huán)的等效框圖</p><p>　　忽略反電勢的動態(tài)影響 b）小慣性環(huán)節(jié)的近似處理</p><p>　　其中Toi和Ts按小慣性群近似處理，，為保證穩(wěn)態(tài)時電流無靜差以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，同時從動態(tài)上看要求轉(zhuǎn)矩快速跟隨擾動，以保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。所以內(nèi)環(huán)應(yīng)以速動性為主，即選擇Ⅰ型系統(tǒng)。</p><

6、;p>　　由于對電流超調(diào)量有較嚴(yán)格要求，而抗擾指標(biāo)卻沒有具體要求，因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　為了消除控制對象大時間慣性環(huán)節(jié)，選擇：則電流環(huán)動態(tài)結(jié)</p><p>　　構(gòu)框圖可化簡后如圖2.3所示的典型形式：

7、 </p><p>　　圖2.3 電流環(huán)簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　其中，然后按典型的I型系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)選取的值，從而得到Ki值，進(jìn)而確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。以上推倒假設(shè)校驗(yàn)條件如下：（為電流環(huán)的截止頻率）</p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：一般近似取大于截止頻率,但實(shí)際條件是大于截止頻率:

8、 （2-2）</p><p>　　忽略反電勢對電流環(huán)的影響的條件：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　(3)電流環(huán)小慣性群近似處理的條件：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p&

9、gt;　　2.2.2電流環(huán)等效環(huán)節(jié)閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)過上述的簡化后閉環(huán)表達(dá)式可寫成：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　忽略高次項(xiàng)，則可簡化為： </p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　則

10、接入轉(zhuǎn)速環(huán)的電流等效環(huán)節(jié)為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　2.2.3時間常數(shù)確定</p><p>　　晶閘管滯后時間常數(shù)的大小與整流電路形式有關(guān),本題采用的是單相橋式整流電路, 單相橋式晶閘管整流電路的平均后時間TS=0.001S，取電流反饋濾波時間常數(shù)，電流濾波時間常數(shù)：</p><

11、p>　　可得 電流環(huán)小時間常數(shù)之和：</p><p>　　2.2.4電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)計(jì)算</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電流超調(diào)： ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，故選用Ι型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性環(huán)節(jié)，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，將其校正成Ι型系統(tǒng)</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：</b></p>

12、<p>　　設(shè)電流調(diào)節(jié)器比例積分傳遞函數(shù)為：其中</p><p>　　電流環(huán)要求時,查附表1可得，應(yīng)取因此：</p><p>　　于是，ACR電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為：</p><p>　　2.2.5校驗(yàn)近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率為：</b></p><p>　

13、　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p>　　一般近似取小于截止頻率, 滿足近似條件</p><p>　　忽略反電勢對電流環(huán)的影響的條件：</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)小時間環(huán)節(jié)近似處理的條件：</p><p><b>　　滿

14、足近似條件</b></p><p>　　2.2.6電流調(diào)節(jié)器的電阻電容的選擇</p><p>　　運(yùn)算放大器的輸入電阻為:,</p><p><b>　　各電阻電容值為：</b></p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　取&

15、lt;/b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　2.3設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　用電流環(huán)等效環(huán)節(jié)替代后，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖 2.4轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化 </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

16、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)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)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.</p><p>　　和電流環(huán)中一樣，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

17、的慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p>　　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><b>　?。?-8）</b></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>　　則校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)框

18、圖如圖2.5所示：</p><p><b>　　服從的近似條件為：</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為:</p><p>　?。檗D(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率） （2-9）</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)的近似處理?xiàng)l件：</p><p><b>　?。?

19、-10）</b></p><p>　　2.3.1轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)確定</p><p><b>　　電流環(huán)時間常數(shù)</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理?。?lt;/p><p>　　2.3

20、.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇</p><p>　　設(shè)計(jì)要求中雖然允許系統(tǒng)有靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如采用比例調(diào)節(jié)器，將很難滿足穩(wěn)定性要求。為此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用近似PI調(diào)節(jié)器，按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。可證明，當(dāng)近似PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大時，其傳遞函數(shù)可表示為</p><p>　　式中，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)，（h為中頻寬）。</p&

21、gt;<p>　　2.3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取中頻寬為h=5，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為：</p><p>　　則轉(zhuǎn)速環(huán) 的開環(huán)增益為：</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比例系數(shù)為：</p><p>　　2.3.4校驗(yàn)近似條件</p><p>

22、　　轉(zhuǎn)速開環(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)的近似處理?xiàng)l件：</p><p>　　2.3.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電容電阻值的計(jì)算</p><p><b>　　，取</b>

23、;</p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　3設(shè)計(jì)指標(biāo)的驗(yàn)證</b></p><p><b>　　3.1電流環(huán)驗(yàn)證</b></p><p>　　經(jīng)過以上電流環(huán)的校正

24、后，電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　用matlab編程</b></p><p><b>　　程序?yàn)椋?lt;/b></p><p>　　>>num=250 開環(huán)函數(shù)分子多項(xiàng)式</p><p>　　>>den=[0.002 1 0];開環(huán)傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式&l

25、t;/p><p>　　>> G=tf(num,den);開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　>> H=feedback(G,1,-1) 閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　transfer function</p><p><b>　　250</b></p><p>　　0.002

26、 s^2 + s + 250</p><p><b>　　>>step(H)</b></p><p>　　求得其階躍響應(yīng)曲線如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1電流環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由階躍響應(yīng)曲線知，電流超調(diào)為4.31%<5%滿足設(shè)計(jì)要求。</p><

27、p><b>　　3.2轉(zhuǎn)速環(huán)驗(yàn)證</b></p><p>　　3.2.1按線性系統(tǒng)計(jì)算的轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)</p><p>　　經(jīng)過ASR的校正后，轉(zhuǎn)速環(huán)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　用matlab編程程序?yàn)椋?</p><p>　　num=1481*[0.045 1];</p><p>　

28、　den=[0.009 1 0 0];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p>　　H=feedback(G,1,-1)</p><p>　　Transfer function:</p><p>　　66.64 s + 1481</p><p>　　0.009 s^3 + s^2 + 66.6

29、4 s + 1481</p><p>　　>> step(H)</p><p>　　求得閉環(huán)的階躍響應(yīng)曲線如圖4-2所示：</p><p>　　圖3-2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖可得到：超調(diào)為37.5%，上升時間為0.0335s<0.1S的要求，此時的超調(diào)是沒計(jì)算調(diào)節(jié)器飽和的影響，實(shí)際退飽和超調(diào)小于此

30、數(shù)值。</p><p>　　3.2.2按非線性計(jì)算的轉(zhuǎn)速環(huán)退飽和超調(diào)</p><p>　　退飽和超調(diào)的公式為:</p><p><b>　　式子中的</b></p><p>　　——為系統(tǒng)在相應(yīng)的中頻寬下的抗干擾性能指標(biāo)具體可查表4.1</p><p>　　——為系統(tǒng)開環(huán)帶額定負(fù)載時的穩(wěn)態(tài)速度降落

31、</p><p>　　——電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速</p><p>　　——分別為電機(jī)的過載倍數(shù)和負(fù)載系數(shù)（）</p><p>　　——分別為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩時間常數(shù)和校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)的慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)</p><p>　　本題的退保和超調(diào)計(jì)算：</p><p><b>　　額定穩(wěn)態(tài)速降為：</b></

32、p><p>　　理想空載轉(zhuǎn)速為：=+=246.7-200=446.7r/min</p><p><b>　　退飽和超調(diào)為：</b></p><p><b>　　滿足要求 </b></p><p><b>　　4仿真設(shè)計(jì)</b></p><p>　　Matl

33、ab是一款集計(jì)算仿真與一體的多功能軟件，可利用模型的傳遞函數(shù)來搭建系統(tǒng)，使用起來很方便。</p><p>　　通過上述工程設(shè)計(jì)方法建立的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)確定了控制器的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)，因此可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真，數(shù)學(xué)模型如圖4.1所示。</p><p>　　圖中所用的模塊均在simulink的continue庫中，考慮到調(diào)節(jié)器的飽和，在ASR和ACR調(diào)節(jié)器

34、后都添加了輸出限幅環(huán)節(jié)“Saturation”。由于模型中有非線性環(huán)節(jié)“Saturation“，因此仿真器可選擇ode23、ode23s、ode15、ode15s，本模型選擇ode23，采用變步長積分法。時間從0開始，10s停止。</p><p>　　參數(shù)設(shè)置完成后，可以開始仿真，電樞電流和轉(zhuǎn)速輸出曲線如圖4.2和圖4.3所示，</p><p>　　可以清楚的看到雙閉環(huán)啟動過程的電流，轉(zhuǎn)速

35、變化曲線，以及超調(diào)過程。</p><p>　　從仿真結(jié)果知，轉(zhuǎn)速的超調(diào)滿足設(shè)計(jì)要求，而電流的超調(diào)不滿足要求。</p><p>　　原因可能是電流環(huán)和轉(zhuǎn)速換的輸出限幅不能完全符合實(shí)際情況，在仿真過程中可以看到，當(dāng)輸出達(dá)到限幅的時候，調(diào)節(jié)器的輸出卻還在不停地增加，大大超過了輸出限幅值。實(shí)際情況是，當(dāng)達(dá)到輸出限幅時，調(diào)節(jié)器的輸出不會繼續(xù)增大，而是保持當(dāng)前值，一旦出現(xiàn)負(fù)的誤差，可以立即作用于調(diào)節(jié)器

36、，使其輸出減小。當(dāng)斷開轉(zhuǎn)速環(huán)以后，會產(chǎn)生一個ΔU,電樞電流突然增加，隨著時間的推移，ΔU逐漸降低，有PI調(diào)節(jié)器的特性可知，在ΔU降為零的這段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速會一直增加，其增加量等于ΔU對時間的積分。</p><p>　　圖4.1Matlab仿真模型</p><p>　　圖4.2電樞電流曲線</p><p><b>　　圖4.3轉(zhuǎn)速曲線</b><

37、;/p><p><b>　　5.心得體會</b></p><p>　　這次電力拖動自動控制系統(tǒng)歷時一個星期，在整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。具體的收獲有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　學(xué)習(xí)是沒有止境的。在做這個課程設(shè)計(jì)之前，我一直

38、以為自己的理論知識學(xué)的很好了。但是在完成這個設(shè)計(jì)的時候，我總是被一些小的，細(xì)的問題擋住前進(jìn)的步伐，讓我總是為了解決一個小問題而花費(fèi)很長的時間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道。其實(shí)在計(jì)算設(shè)計(jì)的時候，基礎(chǔ)是一個不可缺少的知識，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。</p><p>　　多和同學(xué)討論。我們在做課程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問題，這樣，我們

39、可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會使自己在做的過程中沒有方向，并且這樣也是為了方便最后程序和在一起。討論不僅是一些思想的問題，他還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使自己的人處理問題要快一些。</p><p>　　多改變自己設(shè)計(jì)的方法。在設(shè)計(jì)的過程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題

40、，最后在老師指導(dǎo)和同學(xué)幫助下，終于游逆而解。同時，在徐老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識，在次我表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]黃俊.電力電子變流技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5 279～2