1/23直流電機雙閉環調速系統設計1緒論?錯誤!未定義書簽。 電動機的起動與調速 2 2.2．2動態的性能指標 32.3雙閉環直流調速系統的組成?錯誤!未定義書簽。3雙閉環直流調速系統的設計?錯誤!未定義書簽。3.1電流調節器的設計?錯誤!未定義書簽。3.3閉環動態結構框圖設計?錯誤!未定義書簽。3.4設計實例...................................錯誤!未定義書簽。3.4.1設計電流調節器.......................錯誤!未定義書簽。 4．Matlab仿真?錯誤!未定義書簽。 參考文獻?錯誤!未定義書簽。0/23直流電機雙閉環調速系統設計1緒論現代電力拖動自動控制系統中發展較早的技術。就目前而言，直流調速系統仍然是自動調速系統的主要形式,電機自動控制系統廣泛應用于機械，鋼鐵,礦山,冶金,化工,石油，紡織，軍工等行業。這些行業中絕大部分生產機械都采用電動機作原動機。有效地控制電機,提高其運行性能,對國民經以上等等需要高性能調速的場合得到廣泛的應用。然而傳統雙閉環直流電動機調速系統多數采用結構比較簡單、性能相對穩定的常規PID控制技術,在模型那樣保持不變，而是在某些具體場合會隨工況發生改變;與此同時,電機作使控制系統的魯棒性較差,尤其對模型參數變化范圍大且具的非線性環節較強克服模型參數變化范圍大及非線性因素的影響。雙閉環直流調速系統是性能很好，應用最廣的直流調速系統。采用該系統各種交、直流電力拖動自動控制系統的重要基礎。實現高性能拖動控制的電動機,直流電動機的定子磁場和轉子磁場相互獨立并至今直流電動機仍然是大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性,優異的控制性能,高效率等優點。直流調速仍然是目前最可靠,精度最高的調速方法。系統的基本理論及相關內容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發現其缺陷之處,通過對該系統不足之處的完善,可提高該系統的性能,使其能夠適用于最終掌握各種交、直流調速系統的原理,使之能夠應用于國民經濟各個生產領1/23直流電機雙閉環調速系統設計意。但近年來，現代控制理論在電動機控制系統的應用研究方面卻出現了蓬勃發展的興旺景象,這主要歸功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應用,使得使得應用現代控制理論能夠取得更好的控制效果。本次設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調速系統進行設計和控制,設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統的調節器,應用MATLAB軟件對設計的系統進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。2/23直流電機雙閉環調速系統設計2直流電機雙閉環調速系統(1)直流電動機的起動流電機的起動條件應滿足以下原則:①起動轉矩要大于負載轉矩;②起動電流限制在安全范圍以內;③起動設備投資要經濟適用，設備運行要安全可靠,起動時②減弱勵磁磁通Φ從以上三種方法的介紹中可知,對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞電壓的方式為最好。變電阻只可以實現有級調速；弱磁調速雖然可以實現平滑調速,但它可調節的范圍不太大，經常要和調壓方式配合,根據各類典型生產機械對調速系統提出的要求，一般可以概括為靜態和動態調速指標。靜態調速指標要求電力傳動自動控制系統能在最高轉速和最低轉系統穩定在某一轉速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影2.2.1靜態性能指標生產機械要求電動機在額定負載運轉時，提供的最高運轉速度n與最低nD=maxnn(2-6)(2)靜差率時，系統從理想空載轉速n至額定負載0nn差率s，即N03/23直流電機雙閉環調速系統設計ns=Nn0為(2-8)ns=N100%nn0械。但是靜差率與特性硬度又是不同的。變壓調速系統在不同轉速的情況下機械特性是相互平行的,對于相同硬度的機械特性，理想空載時轉速越低,靜差率由此可見,調速范圍與靜差率這兩項指標之間的關系不是相互獨立的,它們必須一起被提出時才有意義。若調速的額定速降一樣,則運轉的越慢,靜差率就越大。在低速的情況下，如果靜差率能符合設計要求，那么靜差率在高速運轉拖動系統動態過程的性能指標是生產工藝流程要求對控制系統動態指標的要求經折算與量化后得到的。在自動化系統中，動態指標是指跟蹤給定信號的跟隨性能指標和抗擾動信號的魯棒性能指標。在參考輸入信號R(t)的作用下,跟隨性能指標可用來描述系統輸出量C(t)態響應又稱為階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量C(t)與其穩態值C的偏差越小越好，達到C的時間越快越好。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升①上升時間tr經過的時間稱為階躍響應的上升時間,它表示動態響應的快速性,見圖2－4。4/23直流電機雙閉環調速系統設計在典型的階躍響應跟隨系統中，超調量輸出量超出穩態值的最大偏離量與=max100%=max100%C(2－10)③調節時間t系統整個調節過程的快慢的衡量可以用調節時間來衡量。在原則上，應該過渡過程到一定時間就終止了。因此，一般在階躍響應曲線的穩態值附近,取帶所需的最短時間定義為調節時間,可見圖2－4。(2)抗擾動能力性能指標能5/23直流電機雙閉環調速系統設計max系統在穩定條件下運行時,突加一定數值的擾動(如負載擾動)后引起轉速maxmax1百分數C/C100%來表示(或用某基準值C的百分數C/C100%max1bmaxb來表示)。在動態降落后輸出量逐漸恢復，達新的穩態值C,(CC)是系統212在該擾動作用下的穩態誤差,即靜差。一般情況下,動態降落大于穩態誤差。調速系統在突加額定負載擾動時轉速的動態降落叫做動態降落n。②恢復時間t從階躍擾動作用開始,到輸出量基本上恢復穩態,距新穩態值C之差進入2bvb實際系統中對于各種動態指標的要求各有不同，要根據生產機械的具體要求而定。一般來說，調速系統的動態指標以抗擾性能為主。CFC121CFttt0ttv6/23+-+-。TTAUIdMn+-Un-ASRi++Ud-UiASRACR節器TA─電流互感器UPE─電力電子變換器U─轉速反饋電壓U*─電流給定電壓ninU─電流反饋電壓i直流電機雙閉環調速系統設計7/233雙閉環直流調速系統的設計雙閉環調速系統屬于多環控制系統，每一環都有調節器，構成一個完整的環),對其進行必要的變換和近似處理，然后依照電流環的控制要求確定把它校正成哪一種典型系統,再根據控制對象確定其調節器的類型,最后根據動態性能指標的要求來確定其調節器的有關參數。電流環設計完成以后，把電流環看成速環。在電流檢測信號中常有交流分量,為了不讓它影響調節器的輸入,加入了低通濾波器,然而濾波環節可以使反饋信號延遲,為了消除此延遲在給定位置加一iRiRms+neoineoi--oia(1)電流環結構框圖的化簡1ciTT圖3-3點畫線框內的為電流環，ciTT8/23直流電機雙閉環調速系統設計電流環干擾的條件是(3－4)式中─電流環開環截止頻率。ci將給定信號及反饋濾波同時移至環內前向通道上,再將給定信號變成，則電流環將等效為單位負反饋控制系統。11最后，由于一般情況下Toi和T都cis3Tl多,從而可當作小慣性群近似地看成是一個慣性環節，其時間常數為s看成是一個慣性環節，其時間常數為T=T+Tisoi則電流環內部結構簡化的近似條件為i從靜態要求上看，希望電流無靜差。從動態要求上看，電樞電流不允許有型的,其傳遞函數用如下式子表示KK?KKK=is－7)ITRiiKi─電i)節器的比例系數。KI(s)T=TT=Til(3－8)環的動態結構框圖變成圖3-4所示的典型形式，其中(3－9)9/23直流電機雙閉環調速系統設計圖3－2校正成典型Ⅰ型系統的電流環動態結構框圖1cicis②不考慮反電動勢的變化對電流環的動態影響13ciTciml③電流環小慣性群的近似處理1cici3soi(3-12)(3)電流調節器的參數計算由(3-6)得，電流調節器的參數為K和，而已經選定,需要求的只K,iiiiiTi1Kci2T再結合式(3-6)和式(3-7)可得Kli2KTsiRRT2KTsi(3(33.2轉速調節器的設計(1)電流環的等效閉環傳遞函數電流環經簡化后可看作轉速環內的一個環節，因此，需要先求其閉環的傳函數W(s)：cli10/23直流電機雙閉環調速系統設計K IW(s)=I(s)d==cliU*(s)xiT1KKKIII不考慮高次項,W(s)可以降低階次近似表示成clicli1KI(3-16)近似條件式為1Kcn3Txi(3-17)式中，O─轉速環開環頻率特性的截止頻率。電流環作為轉速環內的一環節其輸入量為U*(s),于是電流環可在轉速環內i1I(2)轉速調節器結構的選擇號變為U*(s)a，再將兩個時間常數為1K和nIon似成一個時間常數為T的慣性環節，其中xxn1KI(3-19)又想滿足好的動態性能指標的要求，轉速環開環傳遞函數要有兩個積分環節,因此設計為Ⅱ型系統,也使用比例積分(PI)調節器,它的傳遞函數可表示為：ASRTsn11/23直流電機雙閉環調速系統設計nn(3-2W(s)=Kn(Tns+1)=(3-2nT(s)CTs(Ts+1)TCTs2(Ts+1)nemnnemn令轉速環的開環增益K為N則上述結果所需服從的近似條件歸納如下:(3-24)KaRK=nNTCTnemW(s)=ns2(Ts+1)KKcn3IKnT(3)轉速環PI調節器的參數計算轉速環調節器包含K和T兩個參數。依據典型Ⅱ型系統的相關參數關系,nnnn(3-26)再據式K==2h+1=(1)2h+1=h+1,得lcl2hT22h2T2K12/23直流電機雙閉環調速系統設計(3-27)于是Kn2haRT(3-28)跟隨性能及抗擾性能適中，所以,一般情況下選擇h=5為好。3.3閉環動態結構框圖設計雙閉環直流調速系統的轉速環在電流環之外,控制電動機的轉速,輸出作為電流環的給定值，實現轉速無靜差。電流環控制電動機的電流，輸出整流觸發裝置的觸發電壓,可以通過調節電流快速調節轉矩,以實現快速加減速。兩個控圖3.3雙閉環直流調速系統動態結構框圖3.4設計實例NNNslm13/23直流電機雙閉環調速系統設計N轉速的反饋系數：10Vn0.007Vmi/r。0.03Nl8.1110T0.0037in(1)整流裝置的滯后時間常數T。設計成三相橋式全控整流電路，其平均失控sslaI136Noi為了基本濾平波頭，應有(1~2)T=3．33ms，于是取T=2ms=0.002s。oioi(3)電流環小時間常數之和T。按小時間常數近似處理,取T=T+T＝0．0iisoi037s。2.選擇電流環調節器結構根據設計要求電流超調量5%,并保證穩態電流無差,可按典型Ⅰ型系i統設計電流環調節器。電流環控制對象是兩個慣性環節,因此可用比例積分(PI)型調節器設計電流環，其傳遞函數為W(s)K(s1)ii。ACRsi14/2311TTml直流電機雙閉環調速系統設計il0.50.5iIiIT037iK400.05sciI(1)校驗晶閘管三相全控橋式整流裝置傳遞函數的近似條件11ci(3)校驗電流環內的動態時間常數的近似條件115/23(2)轉速環較小的時間常數的近似條件為(2)轉速環較小的時間常數的近似條件為直流電機雙閉環調速系統設計KIxiI1Kxixn1xnKonIASRTsnnxnxn于是，可得轉速環調節器(ASR)的比例系數為xn4．近似條件的校驗轉速環的頻率特性中的截止時的頻率為cnNn(1)電流環調節器的傳遞函數的簡化條件為KI=T3xiI=T3xi0.0037cn16/23直流電機雙閉環調速系統設計11KIcn滿足條5.轉速超調量的校核RnTCmbTCmbbnCn*be17/23直流電機雙閉環調速系統設計根據理論設計結果，構建直流雙閉環調速系統的仿真模型，如圖4-100.5In1Out1TransferFcn3Gain4Step1TransferFcn40.050.002s+1TransferFcn50.0070.01s+1400.0017s+1Subsystem10.002s+1SaturatiansferFcnSubsystem10.01s+1StepTransferFcn620.03s+1TransferFcn2ScopeIn1Out1K-1-K-1-K-1Out1Gain1-K-K-Gain1IntegratorInIn1Out1Subsystem--K-Gain21-K-1Out1sInIn1Out1ubsystem(a)節器ACR(b)電流調18/23直流電機雙閉環調速系統設計00000.511.5直流電機雙閉環調速系統設計19/23800004002000