直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)課程設(shè)計.doc

課程設(shè)計 題目： 直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 學(xué)　　院 計算機科學(xué)與信息工程 專業(yè)年級 13自動化2班 學(xué)生姓名 龐超明 學(xué)號 2013133231 指導(dǎo)教師 吳詩賢 職稱 講師 日 期 2016-11-30 目錄 摘要 2 一、設(shè)計任務(wù) 3 1、設(shè)計對象參數(shù) 3 2、課程設(shè)計內(nèi)容及要求 3 二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 4 1、整流裝置的選擇 4 2、建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 4 三、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的工程設(shè)計 5 1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 5 2、電流環(huán)設(shè)計 6 2.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 6 2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 6 2.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 7 3、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 9 3.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 9 3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 9 3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 10 三、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真 11 1、系統(tǒng)仿真模型 11 2、動態(tài)性能分析 14 四、總結(jié) 16 參考文獻 17 摘要 本設(shè)計通過分析直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖。同時，采用工程設(shè)計的方法對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器進行設(shè)計，先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后將整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再來設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。遵從確定時間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗近似條件的步驟一步一步的實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計。之后，再對系統(tǒng)的起動過程進行分析，以了解系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后用MATLAB軟件中的Simulink模塊對設(shè)計好的系統(tǒng)進行模擬仿真，得出仿真波形。 關(guān)鍵詞： 直流電動機 雙閉環(huán) MATLAB/Simulink 仿真 一、設(shè)計任務(wù) 1、設(shè)計對象參數(shù) 系統(tǒng)中采用三相橋式晶閘管整流裝置； 基本參數(shù)如下： 直流電動機：220V，136A，1500r/min，Ce=0.15V/( r.min-1)，允許過載倍數(shù)1.5。 晶閘管裝置：Ks=50 電樞回路總電阻：R=0.6Ω 時間常數(shù)：Tl=0.03s，Tm=0.2s 反饋系數(shù)：α=0.007V/( r.min-1) ，β=0.05V/A 反饋濾波時間常數(shù)：τoi =0.002s，τon=0.002s 2、課程設(shè)計內(nèi)容及要求 2.1建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模型；繪出結(jié)構(gòu)圖。 2.2電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的工程設(shè)計。 2.3利用Simulink建立仿真模型（須有較為詳細的建模過程說明），并分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。 2.4調(diào)試分析過程及結(jié)果描述。列出主要問題的出錯現(xiàn)象、出錯原因、解決方法及效果等； 2.5總結(jié)。包括課程設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲等內(nèi)容。 二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1、整流裝置的選擇 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串級聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制三相橋式晶閘管整流裝置。目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖1所示。 圖1 三相橋式全控晶閘管整流裝置 2、建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣、性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)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，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。 理想快速啟動過程電流和轉(zhuǎn)速 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快啟動，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，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達到的控制：啟動過程只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器來組成系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別在系統(tǒng)中起作用，可以在系統(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）連接，如圖2所示。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)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖2 直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖 三、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的工程設(shè)計 1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 2、電流環(huán)設(shè)計 2.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 圖3 2.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖3可以看出，采用Ⅰ型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，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因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型Ⅰ型系統(tǒng)。 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： 式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ——電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成圖4所示的典型形式，其中： 圖4 2.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 （1）確定時間常數(shù) 1）整流裝置滯后時間常數(shù)。通過表1可得出，三相橋式電路的平均失控時間。 2）電流濾波時間常數(shù)。根據(jù)初始條件有=0.002 s。 3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取 0.0037。 表1各種整流電路的失控時間（） 整流電路形式 最大失控時間 平均失控時間 單相半波 單相橋式（全波） 三相半波 三相橋式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 （2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)書本設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無差，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)： 檢查對電源電壓的抗擾性能：37=8.11，參照表2的典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。 表2典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系 （3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：0.03s。 電流開環(huán)增益：書本要求時，按表3，取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為： 表3典型Ⅰ型系統(tǒng)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超調(diào)量 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升時間 6.6 4.7 3.3 2.4 峰值時間 8.3 6.2 4.7 3.6 相角穩(wěn)定裕度 76.3 69.9 65.5 59.2 51.8 截止頻率 0.243 0.367 0.455 0.569 0.786 （4）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件。 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件。 3、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 3.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 忽略高次項，可降階近似為 近似條件 式中 ——轉(zhuǎn)速開環(huán)頻率特性的截止頻率。 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，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán) 中應(yīng)等效成 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 校正后成典型Ⅱ型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下 3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 （1）確定時間常數(shù) A: 電流環(huán)等效時間常數(shù).已取， B: 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù).已知，=0.02s C: 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) （2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 按照跟隨和抗擾性能的原則，取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： 于是，ASR的比例系數(shù)為 (4) 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 三、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真 1、系統(tǒng)仿真模型 本設(shè)計運用MATLAB的Simulink來對系統(tǒng)進行模擬仿真。根據(jù)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以及上面計算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型 （1） 建模過程說明 1） 進入MATLAB直接鍵入simulink命令，打開Simulink模塊瀏覽器窗口 2） 打開模型編輯窗口：選擇File—New—Model菜單項實現(xiàn) 3） 復(fù)制相關(guān)模塊進入模型編輯窗口：將Source組中的Step（階躍輸入）模塊、Math Operations組中的Sum（加法器）和Gain（增益）模塊、Continuous組中的Transfer Fcn（控制器）和Integrator（積分）模塊、Sinks組中的Scope（示波器）等加入編輯窗口，如下圖： 4） 模塊鏈接,如下圖 5）修改模塊參數(shù)：雙擊各模塊圖案，則出現(xiàn)關(guān)于該圖案的對話框，通過修改對話框內(nèi)容來設(shè)定模塊參數(shù)。詳見教材 P51-P54. 各模塊參數(shù)修改見下圖： （2） 電流環(huán)動態(tài)仿真模型及仿真曲線 1）電流環(huán)動態(tài)仿真模型： 2）電流仿真曲線： 系統(tǒng)運行，得到系統(tǒng)電流仿真曲線 （3） 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)仿真模型及仿真曲線 1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)仿真模型： 2）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線 系統(tǒng)運行，得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線 2、動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓時由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程圖如上圖所示。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)過程就分成了圖中標明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。 第Ⅰ階段（）是電流上升階段。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、、都跟著上升，但是在沒有達到負載電流以前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。當后，電動機開始起動。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升。直到，，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。 第Ⅱ階段（）是恒流升速階段。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為恒值電流給的下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機的反電動勢也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，為了使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略小于。此外，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中ACR不應(yīng)飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也需留有余地。 第Ⅲ階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速才到達峰值（時）。此后電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時間內(nèi)，，直到穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快的跟隨給定值，即電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 綜上所述，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程的特點是： 1）飽和非線性控制。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)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單的用線性控制理論來分析整個起動過程。 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 3）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起動過程還有一些差距，不過這兩個階段只占全部起動時間中的很小一部分，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。 四、總結(jié) 本次課程設(shè)計是電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)這門課的一次課程設(shè)計，主要目標是設(shè)計一個符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)這門課是我們自動化專業(yè)的一門綜合性非常強的課程，它綜合了之前學(xué)習(xí)過的模擬電子技術(shù)、自動控制原理、電力電子技術(shù)及電機拖動技術(shù)等課程的很多知識點，所以，本次課程設(shè)計也是對以前課程的一次梳理和升華。 本次課程設(shè)計我受益良多，本課程設(shè)計的要點是設(shè)計轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通過查閱大量的書籍專業(yè)網(wǎng)站、論壇的方式，找尋所需資料，反復(fù)比對研究有關(guān)資料，最后按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法的基本思路，簡化問題，突出主要矛盾。先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。先設(shè)計內(nèi)環(huán)——電流調(diào)節(jié)器，然后把電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，完成設(shè)計要求。在此過程中，我進一步深化了對這門課程課本所學(xué)知識的理解，通過實際設(shè)計系統(tǒng)，鍛煉了我應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力，是對我綜合素質(zhì)的一次提高。 參考文獻 [1] 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng). 北京：機械工業(yè)出版社，2009 [2] 李國勇等. 計算機仿真技術(shù)與CAD. 北京：電子工業(yè)出版社，2008 [3] 王正林等. MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真，電子工業(yè)出版社，2012 [4] 涂植英等.自動控制原理.重慶大學(xué)出版社,2005 [5] 黃文梅等. 系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計. 湖南：國防科技大學(xué)出版社，2001 直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)（組員分工表） （組長） 龐超明 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計及系統(tǒng)仿真 劉翔宇 雙閉環(huán)系統(tǒng)各組成部分電路方案設(shè)計 何嘉誠 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模型及結(jié)構(gòu)圖設(shè)計 黃程 雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能分析