自动化课程设计_7.5

课程设计目录第一章设计任务211设计目标212客观条件3第二章系统建模321实验原理322系统参数测定4第三章系统设计731设计电流调节器832设计转速调节器1033MATLAB仿真12第四章系统调试1441单元调试1442系统调试1543转速环整定1544系统性能测定15第五章系统评估1751系统实际性能评价1752系统误差分析1853实验中遇到的问题18结束语18参考文献19附件原始实验数据单第一章设计任务11设计目标采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足需要，因为在单闭环系统中不能随心随意的控制电流和转矩的动态过程，所以为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接，如下图11A所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。系统中已知条件性能指标需要达到的性能指标是静态S5D3动态I5N10最大速度给定UNM5V最大电流给定UIM5V最大电枢电流IDM14A电流反馈强度5V/14A速度反馈强度5V/1450RPM调节器输入电阻R020K调节器输入滤波电容C0I0224F系统的稳态结构框图如下图11B所示12客观条件实验设备1、MCLIII型电力电子及电气传动实验台。2、GDM8145万用电表。3、TEKTRONIXTDS1012型示波器（100HZ1G/S）。4、DM6243LCMETER电感表。第二章系统建模21、实验原理待测参数1电动机电枢内阻RA电势转速系数CE2整流电源等效内阻RN放大系数KS3平波电感直流内阻RD4电枢回路总电阻RRARNRD电磁时间常数TL机电时间常数TM22系统参数测定整流电源等效内阻RN（伏安法）条件电机静止，电枢回路外串限流电阻固定控制信号UCT大小，05AID1A实验等效电路图实验数据/V277V281V/A09A0510，2812770509电枢内阻RA、平波电感内阻RD测量方法伏安法电机静止，电枢回路外串限流电阻固定控制信号UCT大小，ID1A使电枢处于三个不同位置（约120O对称）进行三次测量URA，URD，ID，求RA，RD的平均值21DNIUR实验数据/V203V20152022/V112011221122/A089089089228122642272125812611261的平均值（228122642272）32272的平均值（125812611261）31260电动机电势转速系数方法（1）切除电枢回路外串限流电阻，电机空载运行（2）调节控制信号大小，得到两组数据/V196V173VNR/MIN133411760146VMIN/R12DEUC19617313341176整流电源放大系数方法（1）分级调节控制信号UCT大小，并保持ID1A（2）测量每一组UCT，UD，ID，数据应大于10组以上，测量上限不低于最大理想空载整流输出电压UD0MAX（3）按UD0UDIDRN作出电源输入输出特性曲线用EXCEL生成，下图（4）取线性段23段，求其斜率平均值得KS实验数据28026024022020018016014012010032252208176149129111096083069050460410390350310280240200170285264624412239203518311628142412201017005115225335050100150200250300计算方法（22391424）（176096）10188120CTTDUKS电枢回路电磁时间常数测量方法（1）断开电枢回路连线（2）使用电感表测量电枢回路总电感量L电路图实验数据05420352利用公式，（05420352）（）ADLRLT0894（1022721260）00197S电枢回路机电时间常数测量方法（1）电机空载，突加给定，并使起动峰值电流达到系统设定最大电流IDM（2）记录ID波形，由下列公式计算TM，EACRUNDTNGDICITZMAZ3752TDIITIGDTIAZAMEMZA3752DZMDZMTTABAISITTBA波形如图所示DLA电感表DZMDZMTTABAISITTBA面积S经过估算为00445，00445（8912）00577S第三章系统设计系统传递函数结构图如下31设计电流调节器1电流环结构框图的化简在一般情况下，系统的电磁时间常数TL远小于机电时间常数TM，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如下图A，B，C所示2确定时间常数1）整流装置滞后时间常数,三相桥式电路的平均时间00017S2）电流滤波时间常数/40224F20K/4112MS03）电流环小时间常数之和000282ST3选择电流调节器结构根据设计要求I5，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，检查电源电压的抗干扰性能00197/000282699，参照书上的关系表，各项指标都是可以接受的。4计算电流调节器参数电流调节器超前时间参数00197。T电流环开环增益要求I5时，应取05,因此05/05/000282177301于是，ACR的比例系数为R/1773001974532/101883570435T5校验近似条件电流环截止频率CI1773011）晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/3000171961CI131满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件338898CI1100197005771满足近似条件。3）电流环小时间常数近似处理条件24157CI131满足近似条件。6计算调节器电阻和电容已知R020K，电阻R0043520K87K/00197/8700226F22T1066F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为I435，满足设计要求。32设计转速调节器。1用电流环的等效环节代替动态结构框图中的电流环以后，这个转速调节器的结构框图及其化简如下图A，B，C所示2确定时间常数1）电流环等效时间常数1/，由上面计算得05，则1/22000282000564S2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电纹波情况，可得000112S3）转速环小时间常数，按小时间常数近似处理，取1/000564S000112000676S3选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器。4计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取H5，则ASR的超前时间常数为H500067600338S，T转速环开环增益6/2500067626260，12H2ASR比例系数为6357014600577/25000345453200067（1）B2HA617075校验近似条件转速环截止频率为CN/14906007823836T11）电流环传递函数简化条件为8358CN，满足1313177300028211简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为4438CN131317730011，满足近似条件。6计算调节器电阻和电容根据已知条件，取20K，则03414K，00099FT/7校核转速超调量当H5时，查表克制，N376，不能满足设计要求，因为表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况计算超调量N2（）（Z）28121510001564005771445320146146033MATLAB仿真系统的MATLAB仿真图如下图所示U5V，负载ID014A时，ID的波形如下I（14213）1310092N的波形如下N（15001450满足系统要求U5V，负载ID07A时，ID的波形如下I（142134）13410060N的波形如下N（14901460）146010020510，满足系统要求由上图可计算U5V，负载ID014A时，I（14213）13100925，不满足系统要求，这可能是在处理数据的过程中对数据进行近似或简化处理过程中所引起的。N（15001450满足系统要求。U5V，负载ID07A时，I（142134）13410060略大于5，这可能是在数据的处理过程中做的近似处理所引起的，N（14901460）146010020510，满足系统要求。第四章系统调试41单元调试整定调节器ACR、ASR的运放输出限幅值1）将零速封锁器置于“解除”状态；2）按调节器设计参数RN3414K、CN0099F、RI87K、CI226F将ASR、ACR接成PI调节器；3）选择调节器任意有效输入端，分别加入正、负输入电压信号（任意小大）；4）测量ASR、ACR的输出信号大小，并适当调节各自的正、负限幅电位器（RP1或RP2），直至输出电压为设定限幅值（ASR为5V,ACR为7V）。42系统调试电流环整定1）断开电机励磁电源，电枢回路串联最大电阻450；2）将电流反馈（FBCFA）输出信号UI接入ACR输入端（“1”端），给定信号UI由给定单元加入ACR的另一输入端（用电流表接入电路确定极性）；2）ACR输出信号接至移相电路输入端（“UCT”）；4）接通主电源，缓慢增加给定UI至25V大小，再将电枢回路串联电阻450逐渐减小为零，监测电枢电流大小，并适当调节电流反馈强度（FBCFA电位器RP1）,使电流达到设定强度（07A）；43转速环整定1）将测速装置输出信号接入速度变换器输入端（FBS的“1”“2”端），FBS的输出端分别接至ASR输入端“1”和DZS（零速封锁器）的“2”端；同时DZS的“1”端介入给定信号UN；2）ASR的输入“2”端接给定信号，输出端接ACR任意有效输入端，替代ACR原有的给定信号UI；3）接通电机励磁电源，切除电枢回路串联电阻；4）将零速封锁器置于“封锁”状态；5）加入给定UN，使电动机空载运转，当UN5V时，调节FBS的反馈系数电位器RP,使速度达到指定值（1450R/MIN）。44系统性能测定1）动态性能电动机空载时，突加最大给定UN5V，观察电枢电流ID和转速N的波形，在设计参数基础上调整ACR、ASR的PI参数，使之满足设计要求，记录ID、N的波形并计算I和N；记录ACR、ASR的最终整定PI参数值。经过实验调试，ACR、ASR的最终整定PI参数值为RN764KCN01FRI115KCI4FID、N的实验波形如图所示I455，满足系统要求。464444N810，满足系统要求。55452）静态性能在调速范围内，对应UN5V和5/3V，分别测量2条电动机静特性曲线（每条特性由空载点到额定负载点不少于6组数据）,并7计算静差率S。UN5V时ID（A）036039043050059069081N（R/MIN）1421142114201419141714161414静差率SN/NO100（14501418）145022UN5/3V时ID（A）015018020022028036063N（R/MIN）396396396393394394392静差率SN/NO100（410394）41034从实验数据和图标观察，UN5V或5/3V时，系统的静差率都较小，图形几乎为一条直线，转速很稳定。第五章系统评估51系统性能评价理论设计RN3414KCN0099FRI87KCI226F调试结果RN764KCN01FRI115KCI4F由实验结果得I455，N810，均满足系4644445545统要求，且系统在UN5V时，静差率S22；UN5/3V时静差率S34均5，所以当改变负载时，系统具有很好的抗干扰性能，能够很好的克服扰动，并且稳态时无静差。暂态相应较快，过渡时间较短，满足调速范围D3。当电机所加负载过重时，电枢电流能很好的抑制在最大电枢电流里以内。综上所述，整个系统整定符合设计要求。52系统误差分析理论设计值RN3414K，RI87K，CN0099F，CI226F，实验所得值RN764K，RI115K，CN01F，CI4FRN的误差（3414764）3414100776，RI的误差（87115）87100322CN的误差（010099）0099100101CI的误差（4226）226100770。实验中，由于人为读数有估读的情况，操作的过程中操作不规范等，导致读数时存在一定的误差。这属于认为因素。实验操作过程中，有系统有时不稳定的情况存在，导致表的指针有轻微摇摆，显示器不停的变化，不能静止。这属于系统误差。实验过程中，由于实验仪器本身存在一些影响测量的因素，如电线的电阻、通电后会有电磁场，影响电容电感等一些敏感性器件。这是实验条件下的误差。得到实验数据以后，在建模的过程中、数据计算、处理等会有近似处理。有关TM的计算过程中需要求出相应部分的面积，这个过程会存在一定的误差。这是计算误差。选用的