雙閉環(huán)調速系統(tǒng)課程設計

1、<p>　　第一章 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理</p><p><b>　　1.1系統(tǒng)的組成</b></p><p>　　轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)是性能很好、應用最廣的直流調速系統(tǒng)。采用PI調節(jié)的單個轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是對系統(tǒng)的動態(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

2、>　　為了實現(xiàn)在允許條件下的最快啟動，關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，沒有轉速負反饋；達到穩(wěn)態(tài)轉速后只有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用。故而采用轉速和電流兩個調節(jié)器來組成系統(tǒng)。</p><p>　　為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別

3、起作用，可以在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉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，如圖1-1所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再把電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速換在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。</p><p>　　圖1-1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)</p>&l

4、t;p>　　1.2 系統(tǒng)的原理圖</p><p>　　為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖如圖1-2所示。圖中ASR為轉速調節(jié)器，ACR為電流調節(jié)器，TG表示測速發(fā)電機，TA表示電流互感器，UPE是電力電子變換器。圖中標出了兩個調節(jié)器出入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的了控制電壓UC為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒

5、相作用。圖中還標出了兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(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1-2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　第二章 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速器的設計</p><p>　　2.1 電流調節(jié)器的設計</p>

6、<p>　　2.1.1 電流環(huán)結構框圖的化簡</p><p>　　在圖2-1點畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用互相交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)TL遠小于機電時間常數(shù)Tm，因此，轉速的裱花往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即

7、。這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結構框圖，如圖2-1所示?？梢宰C明，忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是</p><p>　　式中 -----電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 圖2-1 忽略反電動勢的動態(tài)影響時電流環(huán)的動態(tài)結構框圖</p><p>　　如果把給定濾波和反饋

8、濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖2-2所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值相同的方便之處。</p><p>　　圖2-2 等效成單位負反饋系統(tǒng)時電流環(huán)的動態(tài)結構框圖</p><p>　　最后，由于TS和TOI一般都比TL小得多，可以當作小慣性群而近似看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為</p><p>　　則電流

9、環(huán)結構框圖最終簡化成圖2-3。簡化的近似條件為</p><p>　　圖 2-3 小慣性環(huán)節(jié)近似處理時電流的動態(tài)結構框圖</p><p>　　2.1.2 電流調節(jié)器結構的選擇</p><p>　　從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，由圖2-3可以看出，采用型系統(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，以保證電流

10、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)應以跟隨性能為主，即應選用典型型系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-3表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應采用PI 型的電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成</p><p>　　式中 —— 電流調節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—— 電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)

11、。</p><p>　　為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇</p><p>　　則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成為圖2-4所示的典型形式，其中</p><p>　　圖2-4 校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結構框圖</p><p>　　2.1.3 電流調節(jié)器的參數(shù)計算</p><p><b>　　1.

12、確定時間常數(shù)</b></p><p>　　1）整流裝置滯后時間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時間。</p><p>　　2）電流濾波時間常數(shù)。取。</p><p>　　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。</p><p>　　4）電磁時間常數(shù)、機電時間常數(shù)</p><p><b>　

13、　電動勢系數(shù)。；； </b></p><p>　　2.選擇電流調節(jié)器結構</p><p>　　根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可采用PI 型電流調節(jié)器。傳遞函數(shù)為：WACR(s)=</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表2-1的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。

14、</p><p>　　表2-1典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系</p><p>　　3.計算電流調節(jié)器參數(shù)</p><p><b>　　電流反饋系數(shù)：</b></p><p>　　電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，按表2-2，應取，因此</p>

15、;<p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p>　　表2-2 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系</p><p><b>　　4.校驗近似條件</b></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)的近似條件

16、</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　?。?）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　（3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　滿足近似條

17、件。</b></p><p>　　5.計算調節(jié)電阻和調節(jié)電容</p><p>　　由圖2-5，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為</p><p><b>　　， 取58 </b></p><p><b>　　取 0.65</b></p><p><b&

18、gt;　　取 0.1</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。</p><p>　　2.1.4 電流調節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI 型電流調節(jié)器原理圖如圖2-5所示。圖中為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓UC。</p>

19、;<p>　　根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易地導出</p><p>　　圖 2-5 含給定濾波與反饋濾波的PI 型電流調節(jié)器</p><p>　　2.2 轉速調節(jié)器的設計</p><p>　　2.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)等效后可視作轉速換中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2

20、-4可知</p><p>　　忽略高次項，可降階近似為</p><p><b>　　近似條件為</b></p><p>　　式中 ——轉速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　接入轉速換內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為 (s)，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為</p><p>　　這樣，原來是

21、雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。</p><p>　　2.2.2 轉速調節(jié)器結構的選擇</p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖便如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖</p><p>　　把轉

22、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)為的慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p>　　則轉速環(huán)結構框圖可化簡成圖2-7</p><p>　　圖2-7 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理后轉速換的動態(tài)結構框圖</p><p>　　為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載

23、擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中（見圖 2-7），現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型 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也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中 ——轉速調節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—— 轉速調節(jié)器的

24、超前時間常數(shù)。</p><p>　　這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　令轉速環(huán)開環(huán)增益為</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　不考慮負載擾動時，校正后的調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖如圖2-8所示。</p><p>　　圖2-8

25、 校正后成為典型系統(tǒng)時轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖</p><p>　　2.2.3 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算</p><p><b>　　1.確定時間常數(shù)</b></p><p>　　1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI ：已取，則</p><p>　　2）轉速濾波時間常數(shù): 根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況， 取</p><

26、;p>　　3）轉速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　2.選擇轉速調節(jié)器結構</p><p>　　按照設計要求，選用PI 調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　3. 計算轉速調節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=3，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p>

27、;<b>　　轉速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)為</b></p><p><b>　　4.檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件<

28、/p><p><b>　　滿足簡化條件。</b></p><p>　　2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　5. 計算調節(jié)器電阻和電容</p><p>　　根據(jù)圖2-9，取，則</p><p

29、><b>　　取424</b></p><p><b>　　取0.11</b></p><p><b>　　取 1。</b></p><p><b>　　6.校核轉速超調量</b></p><p>　　當h=3時，由表2-3查得，，不能滿足設計要求。

30、實際上，由于表2-3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，應該按ASR退飽和的情況下重新計算超調量。</p><p>　　表2-3 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標</p><p>　　7.按退飽和情況計算轉速超調量</p><p>　　設理想空載起動時z=0，由已知數(shù)據(jù)有：，，，，，，，當h=3時，由表2-4查得，代入式，可得

31、</p><p><b>　　能滿足設計要求。</b></p><p>　　表2-4典型 Ⅱ 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系</p><p>　　2.2.4 轉速調節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器原理圖如圖2-9所示，圖中為轉速給定電壓，為轉速負反饋電壓，調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器

32、的給定電壓。</p><p>　　轉速調節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關系為</p><p>　　圖2-9 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器</p><p><b>　　第三章 系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　本設計運用Matlab的Simulink來對系統(tǒng)進行模擬仿真。根據(jù)圖3-1以及上面計算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建

33、立直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，如圖3-2所示。系統(tǒng)運行，空載及突加額定負載時得到系統(tǒng)的電流和轉速仿真曲線，如圖3-3、3-4。</p><p>　　圖3-1直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖</p><p>　　圖3-2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的模擬仿真圖</p><p>　　圖3-3空載起動轉速、電流仿真圖形</p><p>　　圖3-4

34、帶負載擾動轉速、電流仿真圖形</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術發(fā)展的日新月異，雙閉環(huán)直流調速已經(jīng)成為當今電機調速系統(tǒng)應用中空前活躍的領域， 在生活中可以說是無處不在。因此作為二十一世紀的大學

35、來說掌握雙閉環(huán)直流調速技術是十分重要的。</p><p>　　回顧起此次課程設計，至今我仍感慨頗多，從選題到定稿，從理論到實踐，在將近兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能