基于PLC的直流数字调速系统设计

目录第一章 绪论21.1 直流调速系统的发展史概述21.2 PLC在电机调速中的应用21.3 PLC的特点21.4 课程的背景、目的及意义3第二章 系统总体设计及算法模型确定42.1 系统总体设计42.2 电流调节器的设计51.电流环调节器设计原理52. 电流环结构的简化53电流调节器的结构选择64.电流控制程序82.3 转速调节器的设计91电流环的等效传递函数92转速调节器结构的选择103转速调节器的参数选择114最后校核一下要求的性能指标125. 转速控制程序12第三章 双闭环直流调速系统仿真123.1电流环系统仿真131.电流环仿真模型132.仿真结果133.2转速环系统仿真161.转速环仿真模型16下面就转速环设计举例，建立转速环仿真模型如下图9所示。 162仿真结果163.3 系统仿真181.系统动态结构图（图13）182 .系统仿真模型（图14）193 系统仿真曲线（图15）19第一章 绪论1.1 直流调速系统的发展史概述电机调速的发展与电力电子技术的发展是不可分离的，电机调速和电力电子技术相互结合，相互促进，实现了现代的电气传动控制：一弱点检测、判断并发出控制信息，用强电来执行控制的使命。从这个角度上看，可以说，现代电气控制技术是强电与弱点相结合的技术。早期的电机控制只是利用电器来控制电动机的启动、制动、正反转和分级调速。随着技术的进步，生产工艺对电机控制提出了越来越高的要求，诸如精确稳定的运行速度、无极调速、快速反向、准确定位等等。直流电机变压和弱磁调速可以比较好的满足这些要求，于是诞生了旋转变流机组供电的直流调速系（Ward-Leonard系统），简称G-M系统。对调速性能要求再高时，则引入电机型放大器、磁放大器、电子放大器等放大装置进行反馈控制。到上世纪五十年代，机组供电直流调速系统的控制技术发展到了巅峰的阶段，也正是它的缺点暴露的最充分的时候：它的设备多、体积大、费用高、效率低、安装须地基、运行有噪音、维修不方便等等日益称为生产上的负担。为了解决这些矛盾，人们开始采用水银整流器和闸流管等静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子传动控制系统。1957年，可控的半导体器件-晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能上还是在可靠性上都具有明显的优势，60年代成了晶闸管的时代，这种静止式变流装置供电的直流调速系统称为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）。70年代以来，国际上电力电子技术突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）、场效应晶闸管（P-MOSFET）等，自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。1.2 PLC在电机调速中的应用可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置，是船舶实现自动化、智能化控制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便，易于扩展而且PLC系统开发简单、编程容易、抗干扰能力强、适合在工业环境下工作，故而只要合理设计，降低成本，它将会受到现场技术人员的欢迎。，在船舶主机遥控系统、锅炉控制系统中央冷却控制系统等重要设备上得到了广泛应用。在本课题所进行的双闭环调速系统设计中，采用PLC作为系统的主控器件。之所以选择用PLC来实现系统的控制思想，是因为PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点。除上述优点外，PLC具有超强的稳定性和长时间连续工作的能力，因而，PLC是为工业生产过程控制化专业设计的控制装置，具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低。1.3 PLC的特点1. 编程方法简单易学 梯形图是使用最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象可观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序617。2. 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。3. 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。4. 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。5. 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 6. 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.4 课程的背景、目的及意义 电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。20世纪90年代前地大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的启动，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他电动机的挑战，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候控制首选。因为它具有良好的线性特征，优异的控制性能，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。本次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，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。第二章 系统总体设计及算法模型确定2.1 系统总体设计直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；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。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图1所示：图1 直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。这样构成的双闭环直流调速系统。其原理图如图2所示：图2 直流双闭环调速系统原理图 直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。2.2 电流调节器的设计1.电流环调节器设计原理 电流环的控制对象由电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置、触发器、电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。电流环可以校正成典型 型系统，也可以 校正成典型 型系统，校正成哪种系统，取决于具体系统的要求。由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加给 定时，不希望有超调，或者超调越小越好。从这个观点来说，应该把电流环校正成典型 型系统。但典型 型系统在电磁惯性时间常数较大时，抗扰性能较差，恢复时间较长。 考虑到电流环还对电网电压波动有及时的调节功能，因此，为了提高其抗扰性能，又希 望把电流环校正成典型 型系统。在一般情况下，当控制系统的两个时间常数之 T 1 Ti 10 比时，典型 型系统 的恢复时间还是可以接受的，因此，一般按典型 型系统设计电流环。此外，为了按典 型系统设计电流环，需要对电流环进行必要的工程近似和等效处理。2. 电流环结构的简化电流环的结构如图 a 所示。把电流环单独拿出来设计时，首先遇到的问题是反电势 产生的反馈作用。在实际系统中，由于电磁时间常数 T1 远小于机电时间常数 Tm，电流 调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比电势 E 的变化快得多，反电势对电流 环来说，只是一个变化缓慢的扰动，在电流调节器的快速调节过程中，可以认为 E 基本 不变，即E=0。这样，在设计电流环时，可以不考虑反电势变化的影响，而将电势反馈作用断开，使电流环结构得以简化。另外，在将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等 效的置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。最后，考虑到反馈时间常数 Ti 和晶 闸管变流装置间常数 Ts 比 T1 小得多，可以当作小惯性环节处理，并取 Ti=Toi+Ts。经 过上述简化和近似处理后，电流环的结构图最终可简化为下图 c 所示图3 电流环动态结构图及其化简3电流调节器的结构选择由于电流环中的控制对象传递函数 Wi（s）含有两个惯性环节，因此按典型系统设计的话，应该选PI 调节器进行串联校正，其传递函数为为了对消控制对象的大时间常数，取=T1。此时，电流环的结构图就成为典型型系统的形式，如图（a）示。 如果要求跟随性好，超调量小，可按工程最佳参数或 = 0.707 选择调节器的参数。电流环开环放大系数Ki为令 ，故有：且截止频率为 为：上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率ci w 与i T 的关系满足小惯性环节的近似条件。 如果按典型 II 型系统设计电流环，则需要将控制对象中的大惯性环节近似为积分环节，当时，而电流调节器仍可用PI 调节规律。但积分时间常数应选得小一些，即。按最小峰值选择电流环时，如选用工程最佳参数h=5，则电流环开环放大系数KI 为：于是可得显然，按工程最佳参数h=5 确定的和的关系，也可以满足小惯性环节的似条件。2.3 转速调节器的设计1电流环的等效传递函数电流环是转速环的内环，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理，使电流成为一个简单的环节，以便按典型系统设计转速环。如果电流环是按工程最佳参数设计的典型 I 型系统，则由图4-2（a）可得其闭环传递函数为：由于：在双闭环调速系统设计中，转速外环的截止频率总是低于电流环的截止频率 ，即。因此，设计转速环时可以把电流环看成是外环中的一个小时常数环节，并加以简化处理，即略去中分母的高次项，得简化后的传递函数为：近似条件为：电流环的这种近似处理产生的效果可以用对数幅频特性来表示。电流环未作处理时阻尼比 = 0.707，自然振荡频率为的二阶振荡环节，当转速环截止频率较低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有些区别。由于电流环在转速环内，其输入信号是 Ui。因此，与电流环的近似的小环节应为式中时间常数的大小随调节器参数选择方法不同而异。2转速调节器结构的选择 为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图 4（b）可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要II 型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型II 型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型II 系统进行设计。由图 4（b）可以明显地看出，要把转速环校正成典型II 型系统，转速调节器ASR也应该采用PI 调节器，其传递函数为式中 转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数这样，调速系统的开环传递函数为其中，转速开环增益为不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构示于下图 4（c）(a)图 4 转速环动态结构图及近似处理3转速调节器的参数选择按跟随性能和抗扰性能最好的原则，取 h=5 进行计算。小惯性环节近似处理条件：4最后校核一下要求的性能指标电流环设计时，所以。第三章 双闭环直流调速系统仿真为了在研究中去获得合适的参数本文用目前流行的MATLAB软件对控制系统进行了仿真。仿真是在理想的情况下进行的，获得结果对研究分析系统可以得