運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)-----直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、<p>　　《運(yùn)動(dòng)控制》課程論文</p><p>　　姓名： </p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p>　　2011年 12月 15日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 課程設(shè)

2、計(jì)任務(wù)書1</p><p>　　2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理1</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的組成及各環(huán)節(jié)介紹1</p><p>　　2.2 系統(tǒng)原理2</p><p>　　3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速器的設(shè)計(jì)2</p><p>　　3.1 電流調(diào)節(jié)器（ACR）的設(shè)計(jì)2</p>&

3、lt;p>　　3.1.1 確定時(shí)間常數(shù)2</p><p>　　3.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)2</p><p>　　3.1.3 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)3</p><p>　　3.1.4 校驗(yàn)近似條件4</p><p>　　3.1.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容4</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

4、（ASR）的設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.2.1 確定時(shí)間常數(shù)5</p><p>　　3.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)5</p><p>　　3.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)5</p><p>　　3.2.4 檢驗(yàn)近似條件6</p><p>　　3.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容6</p>

5、<p>　　3.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量7</p><p><b>　　4 系統(tǒng)仿真7</b></p><p>　　4.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性7</p><p>　　4.2 MATLAB仿真圖8</p><p>　　4.2.1 單位階躍起動(dòng)仿真8</p><p>

6、;　　4.2.2 擾動(dòng)作用下的仿真9</p><p>　　5 心得與體會(huì)9</p><p>　　1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　第9組 （33-36）</p><p>　　電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率，額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電樞電阻，主電路總電阻，，電感，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，濾波時(shí)間常數(shù)，過(guò)載倍數(shù),電流反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。額定轉(zhuǎn)速

7、時(shí)給定電壓，調(diào)節(jié)器輸出電壓，自行決定，也可參考習(xí)題2-14中相應(yīng)的值。系統(tǒng)要求無(wú)靜差，調(diào)速范圍D=10。</p><p>　　2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的組成及各環(huán)節(jié)介紹</p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)

8、靜差。但是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高的系統(tǒng)，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要了。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。所以，我們希望達(dá)到的控制：?jiǎn)?dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速

9、和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)組成系統(tǒng)。</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，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖1所示。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，再把電流調(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)速換在外邊，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)。</

10、p><p>　　圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)原理</b></p><p>　　為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，TG表示測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA表示電流互感器，UPE是電力電子變換器。

11、圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器出入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的了控制電壓UC為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。</p><p>　　圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　3 轉(zhuǎn)

12、速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 電流調(diào)節(jié)器（ACR）的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1 確定時(shí)間常數(shù)</p><p>　　1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，查表1-2（電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)），三相零式電路平均失控時(shí)間。</p><p>　　2）電流濾波時(shí)間常數(shù)題中已給出。</p><p>　

13、　3）電流環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)之和</p><p>　　3.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按照典型I系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，所以采用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)，式中——電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇，（其中），檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，電磁時(shí)間常數(shù)

14、過(guò)大，而機(jī)電時(shí)間常數(shù)過(guò)小，一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多。對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即，所以為了能夠得到理想的等效簡(jiǎn)化，需要重新設(shè)定參數(shù)。若改為，即。此時(shí)，參照表1的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。</p><p>　　3.1.3 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p>&

15、lt;p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：要求時(shí)，按表2，應(yīng)取，因此</p><p>　　由于，所以將參數(shù)改為，于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p>　　表1 典型Ⅰ 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　表2 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</p><p>　　3.1.4 校驗(yàn)

16、近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率</b></p><p>　?。?）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　?。?）忽略反電動(dòng)式變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件</p><p><b>　　滿

17、足近似條件。</b></p><p>　　（3）電流環(huán)小慣性群的近似條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　3.1.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　圖3 含給定濾波與反饋濾波的PI 型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　由圖3，按所送運(yùn)

18、算放大器取，各電阻和電容值為</p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　,取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性指標(biāo)為（見表2），滿足設(shè)計(jì)要求。</p><

19、;p>　　3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 確定時(shí)間常數(shù)</p><p>　?。?）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取</p><p><b>　　，，</b></p><p>　?。?）確定轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取</p><p><

20、b>　　，</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　3.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)</p><p>　　3.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗干擾性能都較

21、好的原則，取，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為，</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　于是，可得ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　（其中）</b></p><p>　　3

22、.2.4 檢驗(yàn)近似條件</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：</b></p><p>　?。?）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為：</p><p><b>　　，滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：</p><p><b

23、>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　3.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　圖4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　根據(jù)圖4，取取，則</b></p><p><b>　　，取，，取</b></p>

24、<p><b>　　，取。</b></p><p>　　3.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　表3 典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)</p><p>　　當(dāng)時(shí)，由表3查得，，不能滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際上，由于表3是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，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(jì)算超調(diào)量。&l

25、t;/p><p>　　表4 典型Ⅱ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p><b>　　由表4查得，由得，</b></p><p><b>　　，設(shè)空載啟動(dòng)時(shí)，，</b></p><p><b>　　滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p><

26、b>　　4 系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　4.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。分析靜特性的關(guān)鍵是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(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再輸出，除非有反向的輸入信號(hào)時(shí)調(diào)節(jié)器推出飽和；飽和的

27、調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI的作用使輸入偏差在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。</p><p>　　圖5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的，因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和不飽和兩種情況。</p><p>　　4.2 MATLAB仿真圖</p>

28、<p>　　4.2.1 單位階躍起動(dòng)仿真</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其近似傳遞函數(shù)為:</p><p>　　則有，在單位階躍響應(yīng)仿真圖如下：</p><p>　　由于該傳遞函數(shù)是在按線性系統(tǒng)計(jì)算的，所以不滿足設(shè)計(jì)條件，而突加階躍給定時(shí)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(jì)算超調(diào)量，進(jìn)而可以推知該

29、設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　4.2.2 擾動(dòng)作用下的仿真</p><p>　　突加負(fù)載變化時(shí)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　代入?yún)?shù)則有其階躍響應(yīng)如下：</p><p>　　在單位階躍擾動(dòng)下，其抗干擾性能滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　5 心得與體會(huì)</b>&l

30、t;/p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，雙閉環(huán)直流調(diào)速已經(jīng)成為當(dāng)今電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說(shuō)是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說(shuō)掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速技術(shù)是十分重要的。</p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)，讓我感觸良多。不僅鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與