直流双环系统(三)的设计及仿真分析(四)

学学 号 号 0121011360422 课课 程程 设设 计计 题题 目目 直流双环系统 三 的设计及仿真分析 四 学学 院院 自动化学院 专专 业业 自动化 班班 级级 自动化 1004 班 姓姓 名名 冯嘉鹏 指导教师指导教师 刘芙蓉 2014 年12 月23日 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 冯嘉鹏冯嘉鹏 专业班级 专业班级 自动化自动化 10041004 班班 指导教师 指导教师 刘芙蓉刘芙蓉 工作单位 工作单位 题题 目目 直流双环系统 三 的设计及仿真分析 四 直流双环系统 三 的设计及仿真分析 四 初始条件 初始条件 双闭环调速系统 其整流装置采用三相桥式全控整流电路 系统基本数据如下 直流电动机 Unom 220V Inom 136A nnom 1460r min 允许过载倍数 额定转速时的给定电压调节0 132min e CVr 1 5 10 n UV 器 饱和输出电压 时间常数 TL 0 03s Tm 0 18s 晶闸管 10 im UV 装置放大倍数 KS 40 电枢回路总电阻 R 0 5 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰 写等具体要求 试对该系统进行动态参数设计 设计指标 稳态无静差 电流超调量 5 i 空载起动到额定转速时的转速超调量 过渡过程时间 画出系统20 n 0 1 s ts 结构框图并计算 1 电流反馈系数 和转速反馈系数 2 设计电流调节器 计算电阻和电容的数值 取 0 40Rk 3 设计转速调节器 计算电阻和电容的数值 取 0 40Rk 4 让电机带载 风机泵类负载 启动到额定转速 观察并录下电机的 2 dL In 转速 电流等的波形 并进行分析 时间安排 时间安排 2013 12 25 布置课程设计题目 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 2013 12 26 2013 12 29 完成课程设计 2013 12 30 2014 1 3 撰写课程设计报告 2014 1 6 答辩并上交报告 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 摘要 直流双闭环调速系统概述直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的 转速 以满足工作机械的要求 双闭环直流调速系统是工业生产中应用最为广泛 的电气传动装置之一 应用于冶金 印刷等许多领域的自动控制系统中 具有抗 干扰能力强 动态响应快的优点 在工作中 我们经常需要对直流双闭环调速系 统进行系统的分析 以调节各项参数使之符合实际工作的要求 自动控制系统的 基本分析方法是 先对系统的组成 工作原理 各部分的作用和联系做细致的 分析 然后在此基础上对控制系统的静态和动态进行数学分析 就是根据工作 系统建立相应的数学模型 利用传递函数对系统的各项性能进行分析 2 直流双 闭环调速系统的构成和工作原理采用转速 电流双闭环直流调速系统可获得优 良的静 动态调速特性 其系统的构成 把转速调节器的输出当作电流调节器的 输入 构成内环 电流环 再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE 构 成外环 转速环 关键字 直流双闭环 转速环 电流环 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 目录 1 直流双闭环调速系统的设计 1 1 1 直流双闭环调速系统的组成 1 1 2 转速 电流双闭环直流调速系统的静态结构 2 1 3 转速 电流双闭环直流调速系统的动态结构 3 2 参数计算 4 2 1 系统参数选取及设计 4 2 2 电流环的设计 4 2 3 速度环的设计 6 3 MATLAB 仿真 8 3 1 仿真结构图 8 3 2 仿真波形图 9 3 3 结果分析 10 3 3 1 启动过程分析 10 3 3 2 负载变化扰动的调节过程 11 心得体会 12 参考文献 13 本科生课程设计成绩评定表 14 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 0 直流双闭环调速系统的设计与仿真 1 直流双闭环调速系统的设计 1 1 直流双闭环调速系统的组成 直流双闭环调速系统是由外环的转速反馈和内环的电流反馈组成的双闭环 调速系统 外环用来克制负载造成的扰动而内环克制电网电压本身的扰动 它 与转速反馈控制直流调速系统用 PI 调节器消除负载转矩扰动对稳态转速的影响 并有电流截止负反馈限制电枢电流的冲击 避免出现过电的现象做比他能力向 的充分的按照理想要求控制电流 在单闭环直流调速系统中 电流截止负反馈 环节是专门用来控制电流的 但它只能在超过临界电流值 以后 靠强烈的 dcr I 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 为了实现 在允许条件下的最快起动 关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过 dm I 程 按照反馈控制规律 采用某个物理量的负反馈就可以使该量保持基本不变 那么 采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程 为了实现转速和电流两 种负反馈分别起作用 可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 二者之间实行串级联接 如下图所示 图 1 1 转速 电流双闭环直流调速系统结构 图中 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 从闭环结构上看 电流环在里面 称作内环 转速环在外边 称作外环 这就形成了转速 电流双闭环调速系统 为了获得 良好的静 动态性能 转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 1 1 2 转速 电流双闭环直流调速系统的静态结构 双闭环直流调速系统的稳态结构如下图所示 两个调节器军采用带现副作 用的 PI 调节器 转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定的最大值 im U 电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压 cm U dm U 图中用带现付的输出性表示 PI 调节器的作用 当调节器饱和时 输出达到限值 输入量不再变化 当调节器不饱和的时候 PI 调节器工作在线性调节状态 其 作用是是输入偏差电压在稳态时为零 U 图 1 2 双闭环直流调速系统的稳态结构图 双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差 这时 dm I 转速负反馈主要起调节作用 当负载电流达到时 对应于转速调节器为饱和 dm I 输出 这是 电流调节器器主要调节作用 这就是采用两个 PI 调节器分别 im U 形成的自动保护作用 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 2 1 3 转速 电流双闭环直流调速系统的动态结构 双闭环直流调速系统的动态结构图如图 1 3 所示 图中和 SWASR 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数 为了引出负电流反馈 SWASR 在电动机的动态结构图中必须把点数电流显露出来 d I 图 1 3 双闭环调速系统的动态结构图 在他的启动过程有三个阶段 分别是电流上升阶段 恒流升速阶段和转速 调节阶段 通过这三个阶段可以看出启动过程有三个特点 饱和非线性 转速 超调和准时间最优控制 一般说来 双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能 对于调速系统 另一个重要的动态性能是抗扰性能 主要是康复在扰动和抗电网电压扰动的性 能 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 3 2 参数计算 2 1 系统参数选取及设计 整流装置的滞后时间常数 TS 三相桥式电路的平均失控电压 0 00167S 1 2 s T mf n im nm UUU max nm n U dm im IU 电流反馈系数 U10 0 05 1361 5 nm dm V VA IA 转速反馈系数 max 10 0 00684min 1460 min nm UV Vr nr A 2 2 电流环的设计 1 确定时间常数 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理 取 i T 0 001670 0020 0037 soi i TTTs 2 根据设计要求 5 并保证稳态无误差 因此选择型电流调节器 i PI 其传递函数为 i 1 S i ACR i Ks W s 检查对电源电压的抗扰性能 参照典型 型系统动态抗 0 03 8 11 0 0037 l i T T 扰性能指标与参数的关系表 可知道该典型 I 型系统动态性能各项指标都是可 以接受的 3 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数 0 03 il Ts 电流环开环增益 要求5 时 由典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指 i 标与参数的关系表可知 应取 因此0 5 I i K T 1 0 50 5 135 1 0 0037 I i Ks T 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 4 于是的比例系数为ACR 135 1 0 03 0 5 1 013 40 0 05 iI i s KR K K 4 检验近似条件 电流环节截止频率为 1 ci 135 1 I Ks 晶闸管传递函数的近似条件 1 11 199 6 33 0 00167 ci s s T 满足近似条件 2 忽略反电动势对电流环动态影响的条件 1 11 3340 82 0 18 0 03 ci m l s T T 满足近似条件 1 电流环小时间常数处理 1 1111 180 8 330 0167 0 002 ci soi s TT 满足近似条件 5 计算调节器电阻和电容 因为 所以各电阻和电容值为 0 40RK 取 0 1 013 4040 52 ii RK RKK 40K 取 0 03 0 75 40 1000 i i i CFF R 0 75 F 取 0 44 0 002 0 2 40 1000 oi oi T CFF R 0 2 F 参照上述参数 电流环可以达到的动态跟随性能指标为 满足4 3 5 i 设计要求 所以电流环的传递函数为 i 1 1 103 0 031 S 0 03 i ACR i Kss W ss 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 5 2 3 速度环的设计 1 确定时间常数 电流环等效时间常数 1 I K 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理 取 n T 1 0 00740 010 0174 on n I TTs K 2 转速调节器结构 按照设计要求 选用调节器 其传递函数为PI 1 nn ASR n Ks s s 3 计算转速调节器参数 按跟随性能和抗扰性能都较好的原则 取 则的超前时间常数为5h ASR 5 0 01740 087 n n hTss 转速开环增益 22 2222 15 1 396 4 22 50 0174 N n h Kss h T 于是的比例系数为ASR 1 5 1 0 05 0 132 0 18 11 7 22 5 0 00684 0 5 0 0174 n em n hC T K h RT 4 检验近似条件 转速截止频率为 11 396 4 0 08734 5 cnnN Kss 1 电流环传递函数简化条件 11 11135 1 63 7 330 0037 I cn i K ss T 满足近似条件 2 转速环小时间常数近似条件为 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 6 11 11 135 1 38 7 330 01 on I cn K ss T 满足近似条件 5 计算调节器电阻和电容 由于 所以各个电阻和电容值为 0 40Rk 取 0 11 7 40468 nn RK Rkk 470k 取 0 087 0 185 470 1000 n n n FC R 0 2 F 取 0 4 0 01 1 470 1000 4 on on F T C R 1 F 6 校核转速超调量 当时 由典型型系统阶跃输入跟随性能指标表查得 5h 不能满足设计要求 实际上 由于典型型系统阶跃输入跟随性37 6 n 能指标表是按线性系统计算的 而突加阶跃给定时 饱和 不符合线性系ASR 统的前提 应该按退饱和的情况重新计算超调量 由典型型系统动态抗ASR 扰性能指标与参数的关系表查得当时 5h max 81 2 b CC 1 5 md N I I 所以 maxmax 2 2 n bb n mbb T nnCC z CCTnn 136 0 5 0 0174 0 132 8 3 20 14600 18 2 81 2 1 5 能满足设计要求 所以 根据上述参数 速度环传递函数为 1 11 7 0 0871 0 087 nn ASR n Kss Ws ss 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 7 3 MATLAB 仿真 3 1 仿真结构图 图 3 1 系统结构仿真图 这是我自己设计的系统结构仿真图 下面的图示我仿真出来的波形 可以 看出来波形很稳定 这也间接的说明 直流双闭环调速系统的好处 直流双闭 环应用广泛 并且实用和效果好 它是由电流环和转速换组成的 图中分别画 出了电流环和转速环 并根据在低而且所求的参数 对上述的图形进行书写 最后完成此图 双踪示波器分别测出在额定负载下的电机转速和电流波形 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 8 3 2 仿真波形图 图 3 2 转速和电流额定负载时波形图 在图 3 2 中 第一个图是在额定负载运行时的转速波形 第二图是在额定 负载运行时的电流波形 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 9 3 3 结果分析 3 3 1 启动过程分析 对调速系统而言 被控对象是转速 它的跟随性能可以用阶跃给定的动态 响应描述 能否实现所期望的恒加速过程 最终以时间最优的形式达到所要求 的性能指标 是设置双闭环控制的一个重要的追求目标 在恒定负载条件下转速变化的过程与电动机电磁转矩有关 对电动机启动 过程的分析离不开对的研究 从电流零增长到 然后在一段时 tfn t d I dm I 间内维持气质不变 以后又下降并经调解后达到稳态值 转速波形显示缓慢 dl I 升速 然后到达给定值 从电流与转速变化过程所反映出来的特点可以把启 n 动过程分为电流上升 恒流升速和转速调节三个阶段 转速调节器再次经历不 饱和 饱和和退保和三种情况 第 阶段 突加给定电压 电流上升 由于 Id Idl 所以转速仍然为 0 则 转速 n 0 转速反馈电压 Un 0 因而转速偏差电压很大 使转速调节器 ASR 进 入饱和状态 转速调节器输出达到限幅值 Uim 此阶段电流调节器试图按照电 流设定值 Ui 将电枢电流 Id 调节到电流最大值 Idm 所以电流迅速上升 而转 速的增加较小 ACR 在这一阶段不饱和 第 阶段 恒流升速阶段 此阶段由于转速小于给定值 Un 大于 Un 误差 Un 始终小于零 所以转速调节器一直处于饱和状态 其输出一直保持 Uim 电流调节器给定一直为 Uim 因此在电流环定值控制作用下 电枢电流被调节 到 Idm 并基本保持不变 因而加速度恒定 转速呈线性增长 是启动过程的 主要阶段 Id 保持 Idm 电磁转矩保持最大值 电机恒加速度升速 第 阶段 转速调节阶段 上一阶段结束时 电机转速到达给定值 由于 电机保持最大转矩 电机继续加速 当速度大于给定值时 Un 反号 因此转 速调节器逐渐退出饱和 电流环给定值变小 这时电机电枢电流在电流调节器 作用下迅速变小 在 Id 减小到负载电流 Idl 之前 电磁转矩大于负载转矩 电 机加速过程变慢 但仍然处在升速过程 Id 减小到 Idl 时 转速到达第一次峰 值 随后 Id 减小到 Idl 以下 因而电机电磁转矩小于负载转矩 转速减小 在经过一段调节过程后 转速调节器完全退饱和 发挥其控制作用维持转速恒 定 而电流调节器则保持电枢电流与负载电流平衡 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 10 由以上的分析过程可以看出 在电机启动阶段 双环系统利用电机过载能 力 将电枢电流调节到最大值 从而产生最大的加速电磁转矩 使系统获得极 好的加速性能 而调节器的限幅作用 还使电机的电枢电流得到限制 从而防 止电机过载 超过电机的过载能力而导致电机烧毁 3 3 2 负载变化扰动的调节过程 一般来说 双闭环直流调速系统具体有比较满意的动态性能 对于调速系 统 另一个重要的动态性能是抗扰性能 主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动 性能 1 抗负载扰动 负载扰动作用在电流环之后 因此只能靠转速调节器 ASR 来产生抗负载扰 动作用 2 抗电网电压扰动 电网电压变化对调速系统也产生扰动作用 负载扰动能够比较快的反映到 被调量 n 上 从而得到调节 而电网电压扰动的作用点被调量稍远 调节作用 受到延迟滞后 因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些 综上所述 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中有以下作用 1 转速调节器作用 1 转速调节器是调速系统的主导调节器 他是转速 n 很快的跟随给定电压 变化 稳态时课减少转速误差 采用 PI 调节器是可以实现无静差 n U 2 对负载变化器抗扰作用 3 期数出现负值决定电动机润许的最大电流 2 电流调节器做用 1 作为内环的调节器 在转速外环的调节过程中 他的作用是使电流仅仅跟随 其给定电压 即外环调节器的输出量 变化 n U 2 对电网电压其及时抗扰作用 3 在转速动态过程中 保证获得电动机润许的最大电流 从而加快动态过程 4 当电动机过载甚至堵转时 限制电枢电流最大值 其快速的自动保护作用 一旦故障消失 系统立即恢复正常 这个作用对系统的可靠运行十分重要 武汉理工大学 运动控制系统 课程设计 11 心得体会 通过对直流双环系统的设计与仿真的课程设计 是我对双闭环带来的好处有 了更深入的了解 在课程设计中需要对转速调节器 ASR 电流调节器 ACR 进行 设计 尤其是 型系统和 型系统的设计 通过分析系统开环传递函数的动态 特性参数 确定各调节器的传递函数 并最终用模拟电路及数字电路实现所设 计的调节器 在设计过程中系统的降阶处理也是至关重要的 通过处理 控制 对象的数学模型大大简化 从而方便了后续设计的进行 这个过程中绝大多数的设计都是参照教材来完成的 从他的组成 静态和 动态分析还有最后的参数给定都是通过所学教材来完成的 这本书个给了我很 大的帮助 让我能跟好的把这个课设做好 而且 通过这几天的设计是我对直流双闭环系统有了比考试之前的心得认 识 他比单闭环调速系统强好多 单闭环系统虽然可以实现转速无静差 消除 负载转矩扰动对稳态转速的影响 但是转速单闭环系统并不能充分的按照理想 要求控制电流的动态过程 而双闭环调速系统姐姐了这个问题 而且他