电机及其运动控制系统课程设计说明书01.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除北 京 科 技 大 学电机及其运动控制系统课程设计说明书题目：双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计 学院： 自动化学院 专业： 自动化 姓名： 刘晓乐 学号： 40950158 指导教师： 潘月斗 2012年05月18日电机及其运动控制系统课程设计说明书题 目:双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计英 文题 目:Design of ACR and ACR of theMain Circuit of Double ClosedLoop V-M Speed Control System学 院: 自动化学院 专 业: 自动化 班 级: 电 092 学 生: 刘晓乐 学 号: 40950158 指导教师: 潘月斗 职称: 副教授 摘 要本设计简单介绍了双闭环调速系统的原理和动态结构，并基于相关原理，根据设定的电机参数等已知条件和要求按工程设计方法对双闭环调速系统主回路及其保护系统、转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）及其限幅电路进行设计，并对该系统的调节器有关参数进行了计算。最终完成了双闭环V-M调速系统的主电路以及电流、转速调节器的设计，并用Simulink进行了仿真验证，总结了设计心得。关键词：双闭环；调速系统；ASR；ACR；设计；计算；Simulink仿真目 录摘 要.2目 录.3课程设计任务书.4引 言.6双闭环调速系统.7系统各环节设计及参数计算.10系统主回路及控制电路设计.14Simulink仿真.22组态监控人机界面设计.31设计心得.32参考文献.33课程设计任务书一、设计题目双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计二、具体内容（1）主回路及其保护系统的设计；（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；三、已知条件及直流电机相关参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机=220V，=136A，=1460r/min，电枢电阻=0.2，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置=0.00167s，放大系数=40；平波电抗器：电阻、电感；电枢回路总电阻R=0.5；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5Nm2；电流调节器最大给定值=10.2V，转速调节器最大给定值=10.5V；电流滤波时间常数=0.002s，转速滤波时间常数=0.01s。设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量；空载启动到额定转速的转速超调量。四、设计要求1. 写出设计说明书，内容包括（1）各主要环节的工作原理；（2）整个系统的工作原理；（3）调节器参数的计算过程。2. 画出一张详细的电气原理图3. 采用MATLAB中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。引 言电机自动控制系统广泛应用于机械、矿冶、石油、化工、纺织和军工等行业，这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机从而提高其运行性能对国民经济具有十分重要的现实意义。自上个世纪40年代以来约半个世纪的时间里，直流电动机几乎是唯一能实现高性能拖动控制的电动机，其定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动、制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选，因为它具有良好的线性特性、优异的控制性能和高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。本课程设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到参数指标要求的电力拖动系统的调节器，并应用MATLAB软件中的Simulink模块对设计的系统进行仿真和校正以最终满足预设指标的目的。采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差，如果附带电流截止负反馈作限流保护则可以限制电流的冲击，但并不能控制电流的动态波形。我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间，这一点利用单一的电流截止负反馈是很难实现的。此外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，使各参数间相互影响，将导致难于进行调节器的参数调控。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流串级调速系统，即转速电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。这就是本次课程设计需要完成的任务。1. 双闭环调速系统1.1 概述在许多应用场合，为了充分发挥生产机械的效能提高生产率，速度控制系统经常处于起动、制动、反转以及突加负载等过渡过程中，所以要求速度控制系统有较好的动态性能。对高性能、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性（起制性）、较好的抗干扰性和高可靠性（可瞬态过载但不过电流）。因此引入了转速、电流双闭环调速体统。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。转速负反馈和比例积分调节器的单闭环调速系统能够保证系统在稳定的条件下实现转速无静差调节，但是该控制系统也有自身的缺点，比如要求快速启动、突加负载动态速降等。将电流截止负反馈环节与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。从工作原理上分析，它只能是在超过临界电流值以后，才能靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，所以在工业生产中，如龙门刨床、可逆轧钢机等要求经常正反转运行的调速系统为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短起、制动过程的时间。为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，经论证与实践，采用转速、电流双闭环调速系统就能达到上述要求。1.2 系统组成及原理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。二者之间实行嵌套链接，如图1所示为转速、电流双闭环调速系统的结构原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器，这样就构成了双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值和最小触发角。1.3 系统的静特性与动特性静特性：在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和。稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入电压偏差电压都是零，因此，系统具有绝对硬的静特性。当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当Id上升到一定数值时，转速调节器的输出达到限幅值，转速环失去调节作用，呈开环状态，速度的变化对系统不再产生那个影响，此时只剩下电流环起作用。双闭环直流调速系统稳态结构图如图3所示：动特性：双闭环调速系统的动态结构如图4所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。2. 系统各环节设计及参数计算2.1 电流环的设计（1）确定时间常数电流环小时间常数：由于已给,因此=+=0.00367s；电枢回路时间常数：=L/R=0.015/0.5=0.03s。（2）确定电流调节器结构和参数结构选择根据性能指标要求: , ,抗干扰性能适中,因此电流环按典型型系统设计，调节器选用PI,其传递函数为参数计算为了将电流环校正成典型I型系统，i应对消控制对象中的大惯性环节时间常数T1，即取i=T1=0.03s；为了满足i5%的要求，应取Kop，iTi=0.5，因此，有Kop，i=1/2Ti=1/2*0.00367=136.2s-1于是可以求得ACR的比例放大系数为Ki=Kop，iiR/Ks=136.2*0.03*0.5/0.05*40=1.022校验近似条件：a晶闸管整流装置传递函数近似条件wci1/3Ts，wci= Kop，i=136.2s-1，而1/3Ts=199.6s-1显然满足近似条件；b电流环小时间常数近似处理条件wci 1/3(1/TsToi)1/2，而1/3(1/TsToi)1/2=182.4s-1 wci，显然也满足近似条件。忽略反电动势对电流环影响的条件 由于，；所以，；因此，。查表1（典型型系统参数与动态跟随性能指标的关系），设计后电流环可以达到的动态指标为=4.3% VD7，U1:B输出高电平，可通过调节电位器RV1设置U1:B输出的高电平电压值不足以击穿电流调节器（ACR）电路中的二极管D1。图12 电流变换及过流保护器电路如图3.2.8 触发器（GT）触发器电路见图13所示，采用锯齿波同步触发电路，具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200 A 的晶闸管。锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，而且移相范围宽，在大、中容量中得到了广泛应用。其缺点是：整流装置的输出电压与控制电压之间不是线性关系，电路比较复杂。锯齿波同步触发电路由锯齿波形成、 同步移相与脉冲形成放大两个环节组成。图13 触发器电路图3.2.9 转速变速器（FBS）转速变换器电路如图14所示，其用于转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压作为速度反馈。图14 转速变换器电路图3.2.10 直流稳压电源（DC RPS）直流稳压电源电路如图15所示，其由三相交流电经整流和稳压所得，用于双闭环直流调速系统中所有需要15V直流电源的器件。图15 直流稳压电源电路图4. Simulink仿真4.1 仿真模型的建立进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的Simulink图标，打开Simulink模块浏览器窗口。打开模型编辑窗口，选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数，模块中需要修改的相关参数由前部分中计算所得。完成了对模块参数的调整后就可以根据双闭环直流调速系统的动态结构图对各模块予以连接，完整的仿真模型如图16所示。4.2 仿真波形电机启动时，仿真的电流曲线、转速曲线和电流转速波形分别如图17、18和19所示。由图易见，满足转速超调量，电流超调量。由Simulink仿真的波形来看，各个环节参数的设计和校正是较为合理的，综上可以认为，双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计满足了设计要求。4.3 改进方案：基于S函数的单神经元PID控制 基于反馈控制理论，以PID 控制器为代表的传动系统一直是电气传动领域中较为成熟的控制方案。但是传统的PID控制往往不能适应控制对象的参数变化和非线性特性，从而很难获得满意的控制效果。近年来神经网络在控制领域中的研究有了很大的进展，而单神经元作为神经网络的基本组成单位，具有自学习，自适应的功能，而且其算法简单，易于实现实时控制。现将转速环采用基于S函数的单神经元PID控制器来代替，内环电流环仍采用传统的PI 调节器。基本结构图如图 20所示。图16 系统仿真模型图图17 电流曲线图18 转速曲线 图19 电流转速曲线图20 基于S函数的单神经元PID控制的基本结构图神经网络PID 控制是神经网络应用于PID 控制并与传统PID 控制器相结合而产生的一种改进型控制方法，是对传统的PID 控制的一种改进和优化。结构图如图21所示： 图21 单神经元PID控制器结构图图中状态转换器的输入反映被控对象及控制设定的状态。转换器的输出为神经元学习控制所需的状态量，控制信号u(k)由神经元通过关联搜索和自学习产生。设定输入r( y)为给定值，y为输出值，经状态变换器转换后成为神经元学习控制所需的状态量x1、x2、x3。这里： x1 (k) =e(k)，x2 (k) =e(k) =e(k) e(k1)，x3 (k) =e(k) 2e(k1) +e(k2)。由于BP神经网络PID控制器不直接用传递函数加以描述，若简单地应用Simulink将无法对其进行仿真。BP神经网络PID控制器的核心部分的S函数为：function sys,x0,str,ts=neuron(t,x,u,flag,u_1,wkp_1,wki_1,wkd_1,xiteP,xiteI,xiteD,e_1,e_2,tmp_para)switch flag, case 0, sys,x0,str,ts = mdlInitializeSizes; case 3, sys = mdlOutputs(t,x,u,u_1,wkp_1,wki_1,wkd_1,xiteP,xiteI,xiteD,e_1,e_2); case 1, 2, 4, 9, sys = ; otherwise, error(Unhandled flag = ,num2str(flag);end;function sys,x0,str,ts = mdlInitializeSizessizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 1;sizes.NumInputs = 1;sizes.DirFeedthrough = 1;sizes.NumSampleTimes = 1;sys = simsizes(sizes); x0 = ;str = ; ts = -1 0; function sys = mdlOutputs(t,x,u,u_1,wkp_1,wki_1,wkd_1,xiteP,xiteI,xiteD,e_1,e_2,tmp_para) x(1)=u(1)-e_1; x(2)=u(1); x(3)=u(1)-2*e_1+e_2; wkp=wkp_1+ xiteP *u(1)*(x(1); wki=wki_1+ xiteI *u(1)*(x(2); wkd=wkd_1+ xiteD 5*u(1)*(x(3); x=x(1),x(2),x(3); wadd=abs(wkp)+abs(wki) + abs(wkd); w11 = wkp*100/wadd; w22 = wki*50/wadd; w33 = wkd/wadd; w = w11,w22,w33; sys=w*x/40; e_2 = e_1; e_1 = u(1); wkp_1 = wkp; wkd_1 = wkd; wki_1 = wki; 该控制器中的外部参数和初始值均在封装后的控制器参数对话框中给出。建立好SFuction封装模型后即可加入响应环节使用。例如，对二阶系统1/(S2+4S+1)系统的单位阶跃仿真模型及波形分别如图22和23所示：图22 单神经元自适应PID 控制系统仿真模型图23 单神经元自适应PID 控制系统仿真波形而采用传统PID控制的输出波形则如图24所示：图24 传统PID 控制系统仿真波形由仿真波形对比可知，采用传统PID控制系统有一定的超调，而采用单神经元自适应PID 控制系统基本无超调，虽然响应时间有点慢，但总体性能优良，而且抗干扰能力和自适应能力加强。根据以上分析，现将转速环采用基于S函数的单神经元PID控制器来代替，内环电流环仍采用传统的PI 调节器。其仿真模型和波形分别如图25和26所示：图25 单神经元自适应PID 控制直流双闭环系统仿真模型图26 单神经元自适应PID 控制直流双闭环系统仿真波形由仿真波形图可知应用单神经元网络对直流双闭环调速系统中转速环节器的比例和积分参数进行在线字学习调整。仿真结果表明，用这种控制方法得到的转速调节器参数比传统的工程整定法得到的参数控制性能好的多，有操作简便、响应快、过渡过程时间短、基本无超调等优点。5. 组态监控人机界面设计为了更好地监控整套系统的运作，在硬件电路成型的基础上，我们提出了一个基于单片机与组态王通讯的监控系统和人机操作界面。该系统可动态监控整个双闭环系统的主要参数，并绘制参数变化曲线，通过设定报警阈值对系统进行报警。同时，本系统还集成了对电机原始参数的设定或改变，可观察到不同参数条件下双闭环直流调速系统的调速效果。该组态监控人机界面的登陆界面和主控界面分别如图27和28所示：图27 双闭环V-M直流调速系统登陆界面图28 双闭环V-M直流调速系统主控界面6. 设计心得本人此次负责电气方面的设计，查阅了各种相关资料和比对了多种类型的相似电路。对于主控电路，在实际应用中已经有了较为成熟的设计，以三相桥式全控整流电路为主，故此次也选择了该方案。对于控制