1、自動控制系統(tǒng)課程主題設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其MATLAB仿真研究姓 名：王瑞祥學(xué) 號：120101301專 業(yè)：電氣自動化指導(dǎo)教師：張琦焦作大學(xué)2014-06目錄課程設(shè)計任務(wù)書前言1課程設(shè)計的目的2課程設(shè)計的內(nèi)容第一章 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理1.1系統(tǒng)的組成1.2系統(tǒng)的原理圖第二章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速器的設(shè)計2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計第三章 系統(tǒng)仿真心得體會參考文獻前言對最常用的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法進行了詳細的推導(dǎo)。然后采用Matlab/Simulink方法對實際系統(tǒng)進行仿真，找出推導(dǎo)過程被忽略的細節(jié)部分對調(diào)速系統(tǒng)的影響，給出工程設(shè)計和實際

2、系統(tǒng)之間產(chǎn)生差距的原因，有助于在實際中設(shè)計出較優(yōu)的系統(tǒng)。1課程設(shè)計的目的自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計是學(xué)習(xí)理論課程之后的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目的是使學(xué)生鞏固和加深課程的理論知識，結(jié)合實際，融會貫通。進一步培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決實際工程技術(shù)問題的能力。充分發(fā)掘自身的潛力，開拓思路設(shè)計雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)。并掌握其系統(tǒng)的組成、工作原理、調(diào)節(jié)器的設(shè)計及Simulink仿真等內(nèi)容，同時在計算、繪圖、編號、設(shè)計說明書等方面得到訓(xùn)練，為今后的學(xué)習(xí)工作奠定基礎(chǔ)。2 課程設(shè)計的主要內(nèi)容晶體管整流裝置采用三相橋式全控整流，整流變壓器繞組按-Y連接。直流他勵電動機的額定數(shù)據(jù)為： 440V，200A，1460r/min；允許過載

3、倍數(shù)1.5；觸發(fā)整流放大系數(shù)Ks=36，整流回路總電阻R=0.7（包括電樞電阻），時間常數(shù)Tl=0.06s,Tm=0.7s。電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速=0.05V/A，反饋系數(shù)測速=0.008Vmin/r發(fā)電機采用永磁式，額定數(shù)據(jù)為：23.1W，110V，0.21A，1900 r/min。穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求：響應(yīng)無誤差；電流環(huán)超調(diào)量0.05；轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計；要求：在給定輸入作用下的調(diào)節(jié)時間最短第一章直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理1.1系統(tǒng)的組成轉(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)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是對系統(tǒng)的動態(tài)

4、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。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Idm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）聯(lián)接，如圖1-1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電

5、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)。圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.2系統(tǒng)的原理圖為了獲得良好的靜、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，這樣組成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1-2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(biāo)出了兩個調(diào)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(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個調(diào)

6、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Uim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Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。圖1-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖第二章轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速器的設(shè)計2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 2.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖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(shè)計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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

7、程中，可以認為反電動勢基本不變，即E0。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)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(jié)構(gòu)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ci31TmTl式中ci-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(jié)構(gòu)框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成Ui(s)/，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。圖2-2等效成單位負反饋系統(tǒng)時電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖最后，由于TS和TOI一般

8、都比TL小得多，可以當(dāng)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Ti=Ts+Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖2-3。簡化的近似條件為ci131TSToi圖2-3小慣性環(huán)節(jié)近似處理時電流的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2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，以得到理想的堵轉(zhuǎn)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(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的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。 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(yīng)

9、采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i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i=Tl則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖2-4所示的典型形式，其 中 圖2-4校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.1.4電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-5所示。圖中Ui為電流給定電壓，Id為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓UC。根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出圖2-5含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 2.2.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)

10、 電流環(huán)經(jīng)等效后可視作轉(zhuǎn)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)Wcli(s)。由圖2-4可知 忽略高次項，Wcli(s)可降階近似為 近似條件為式中cn轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 接入轉(zhuǎn)速換內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為Ui(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 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，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖2-6所示。 圖2-6用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 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

11、*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Tn的慣性環(huán)節(jié)，其中則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡成圖2-7 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(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（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(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)計成典型型系統(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(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)

12、的開環(huán)傳遞函數(shù)為 不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-8所示。 2.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-9所示，圖中Un為轉(zhuǎn)速給定電壓，n為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓Ui。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為第三章系統(tǒng)仿真本設(shè)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)，可以建立直流雙閉環(huán)調(diào)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(zhuǎn)速仿真曲線，如圖3-3、3-4。 圖3-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖心得體會課程設(shè)

13、計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)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(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。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，在生活中可以說是無處不在。因此作為二十一世紀的大學(xué)來說掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速技術(shù)是十分重要的。 回顧起此次課程設(shè)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(xué)到很多的東西，不僅鞏固了以前所學(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。通過這次課程設(shè)計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到了很多問題，同時也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，意識到自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，了解到理論知識與實踐相結(jié)合的重要意義，學(xué)會了堅持、耐心和努力，這也將為我今后的學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生積極的影響。在小組同學(xué)的熱情幫助下，在指導(dǎo)教師的耐心講解下，我學(xué)會了MATLAB軟件的調(diào)試和使用，順利的完成了這次課程設(shè)計。