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文檔簡介
1、引言調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動,簡稱為直流調(diào)速。從上世紀(jì)50年代末開始,晶閘管出現(xiàn),且晶閘管變流技術(shù)日益成熟,使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系統(tǒng),特別是大型電機(jī)項目,廣泛應(yīng)用于世界各國。常用的直流調(diào)速系統(tǒng)包括單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),以及融合了各種現(xiàn)代、智能控制方法的新型調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號,各參數(shù)間相互影響,難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)速。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),相對于運行性能要求很高的機(jī)床還存在著很多不足,快速性還不夠好。為了避
2、免單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的種種缺點,我們可以采用轉(zhuǎn)速、電流串級調(diào)速系統(tǒng),即轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),采用兩個調(diào)節(jié)器分別對轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)?;陔娏骱娃D(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在靜態(tài)特性和動態(tài)特性上都能很理想,能很好的滿足各種應(yīng)用場所,是經(jīng)典的控制系統(tǒng)。摘要本課程設(shè)計從直流電動機(jī)原理入手,建立v-m雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的acr和asr結(jié)構(gòu),其中主回路采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電,觸發(fā)器采用kj004觸發(fā)電路,系統(tǒng)無靜差;符合電流超調(diào)量i5%;空載啟動到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。并詳細(xì)分析系統(tǒng)各部分原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能,且利用simulink對系統(tǒng)進(jìn)行各種參數(shù)給定下的仿真。關(guān)鍵詞
3、:雙閉環(huán);直流調(diào)速;無靜差;仿真double closed loop speed regulation system of v-mmain circuit current regulator and the design of the speed regulatorabstractthis course is designed from dc motor, establish the principles of v-m double closed loop dc speed control system design, the double closed loop dc speed contr
4、ol system and the structure, including acr asr the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit kj004 trigger circuit, the system without the static poor; accord with current overshoots sigma i 5% or less; no-load start to the rated speed
5、 overshoot sigma n 10% or less. and detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation.key words:double closed loop;dc speed control system;without the static poor;simulation目錄引言1摘要2abstract31.設(shè)計原理11.1系統(tǒng)設(shè)計
6、原理11.2各環(huán)節(jié)原理11.2.1 acr原理11.2.2 asr原理21.2.3 主電路原理31.2.4 檢測電路原理31.2.5 保護(hù)電路41.2.6 電源電路72.系統(tǒng)設(shè)計方法及過程82.1系統(tǒng)設(shè)計對象82.2系統(tǒng)設(shè)計原則92.3系統(tǒng)設(shè)計步驟92.3.1電流環(huán)的設(shè)計92.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計123.系統(tǒng)仿真及分析173.1 simulink仿真模型建立173.2參數(shù)驗證及優(yōu)化193.3仿真分析223.3.1起動過程仿真分析223.3.2抗負(fù)載擾動分析243.3.3抗電網(wǎng)電壓擾動分析254.設(shè)計總結(jié)275.心得收獲287.附錄311.設(shè)計原理1.1系統(tǒng)設(shè)計原理雙閉環(huán)v-m調(diào)速系統(tǒng)主要包括了以
7、下幾部分:acr調(diào)節(jié)器、asr調(diào)節(jié)器、主電路、檢測電路、保護(hù)電路還有電源電路。我們著重進(jìn)行了acr和asr的設(shè)計,同時也為其配置了合適的外圍電路。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器的主要原理如下。調(diào)速系統(tǒng)的主要被控對象是轉(zhuǎn)速,故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán),以保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓,把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán),把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe,這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流兩個閉環(huán)之間實行嵌套鏈接,且都帶有輸出限幅電路,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅電壓 決定了電流給定電壓的最大值,電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓ucm限制
8、了電力電子變換器的最大輸出電壓udm。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小雨idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這是,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用,當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到idm后,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和,電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動保護(hù)。因為pi調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度,使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求,一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主,采用pi調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖1 總體系統(tǒng)框架1.2各環(huán)節(jié)原理1.2.1 acr原理acr為電流調(diào)節(jié)器,為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,電流調(diào)節(jié)器
9、一般均采用pi調(diào)節(jié)器。pi調(diào)節(jié)器原理如圖2,所以有 acr的加入使作為內(nèi)環(huán)的電流環(huán)成為i型系統(tǒng)環(huán)節(jié),使電流緊緊跟隨其給定電壓(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化,實現(xiàn)了時間最優(yōu)控制。圖2 acr原理圖1.2.2 asr原理asr為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,為了獲得轉(zhuǎn)速無靜差以及良好的動態(tài)性能,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也采用pi調(diào)節(jié)。pi調(diào)節(jié)器原理如圖3,所以 asr的加入使外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)成為ii型系統(tǒng)環(huán)節(jié),所以可對負(fù)載變化產(chǎn)生的擾動起主要抗擾作用,且由于asr作為acr的輸入,使得轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化,穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差。圖3 asr原理圖1.2.3 主電路原理通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓uc來移動脈沖的相位,即可改變平
10、均整流電壓ud,從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(v-m系統(tǒng))主電路原理圖如下:圖4 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(v-m系統(tǒng))主電路原理圖圖中vt是晶閘管可控整流器,它由三相全控橋式整流電路組成,如圖5:圖5 三相全控橋式整流電路本設(shè)計中采用了kj004集成觸發(fā)芯片進(jìn)行觸發(fā)控制,其基本原理相同。1.2.4 檢測電路原理i. 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速的檢測可把un接到一個測速發(fā)電機(jī)上即可檢測轉(zhuǎn)速,如圖6:圖6轉(zhuǎn)速檢測ii. 電流檢測電路設(shè)計使用霍爾電流傳感器可以檢測電流,把ui接到霍爾傳感器上,霍爾效應(yīng)傳感器可以測量任意波形的電流和電壓,輸出端能真實的反映輸入端或電壓的波形參數(shù),如圖7:圖7 電
11、流檢測1.2.5 保護(hù)電路i. 限幅電路設(shè)計限幅電路為能按限定的范圍削平信號電壓波幅的電路,又稱限幅器或削波器。限幅電路常用于:(1)整形,如削去輸出波形頂部或底部的干擾(2)波形變換,如將輸出信號的正脈沖削去,只留下其中的負(fù)脈沖(3)過壓保護(hù),如強的輸出信號或干擾有可能損壞某個部件時,可在這個部件前接入限幅電路。限幅電路按功能分為上限限幅電路、下限限幅電路和雙向限幅電路三種。在上限限幅電路中,當(dāng)輸入信號低于某一實現(xiàn)設(shè)計好的上限電壓時,輸出電壓將隨輸入電壓而增減,但當(dāng)輸入電壓達(dá)到或者超過上限電壓時,輸出電壓將保持為一個固定值,不再隨輸入電壓而變,這樣信號幅度即在輸出端受到限制,同樣,下限限幅電
12、路在輸入電壓低于某一下限電平時產(chǎn)生限幅作用,雙向限幅電路則在輸入電壓過高或過低的兩個方向上均產(chǎn)生限幅作用。限幅電路原理圖如下:圖8-1 二極管鉗位的的外限幅電路圖8-2 穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路ii. 過壓保護(hù)電路電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類,外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)的操作過程等外部因素。內(nèi)因主要是由于電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程產(chǎn)生的過電壓。對于外因過電壓可以設(shè)置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應(yīng)過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等。本設(shè)計采用rc過電壓抑制電路和壓敏電阻如下圖。圖9-1 過電壓抑制電路 圖9-2壓敏電阻變壓器空載且電源電壓過零時原邊拉閘,此時變壓器勵
13、磁電流及鐵心中磁通最大,他們的突變將在副變產(chǎn)生出很高的過電壓,采用阻容電路利用電容兩端電壓不能突變的特性,可以有效的抑制變壓器繞組的過電壓,而串聯(lián)的電阻能消耗部分過電壓能量,同時抑制lc回路的振蕩。將rc過電壓抑制電路置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流側(cè)。對于雷擊等更高的浪涌電壓,阻容保護(hù)還不能吸收或抑制時,采用壓敏電阻等非線性電阻進(jìn)行保護(hù)。平時,壓敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài),漏電流極小,一旦發(fā)生浪涌電壓,超過了壓敏電阻的額定電壓時,它很快變成低阻狀態(tài),通過較大的放大電流,把浪涌的能量吸收掉,過電壓就被抑制下來,浪涌電壓過后,一切又恢復(fù)正常。iii. 過流保護(hù)電路當(dāng)電力電子電路運行不正?;蛘?/p>
14、發(fā)生故障時,可能會出現(xiàn)過電流的現(xiàn)象,實際應(yīng)用的電力電子裝置中,一般采用快速熔斷絲、直流快速斷路器、過電流繼電器等幾種方式組合使用??焖偃蹟嘟z的作用是防止過大電流,其額定電壓應(yīng)大于線路正常工作的電壓有效值??焖偃蹟嗥鞯慕臃ㄓ邪惭b在交流側(cè)、與元件串聯(lián)、安裝在直流側(cè)三種,見圖3-9。交流側(cè)快速熔斷器能夠?qū)υ搪泛椭绷鱾?cè)短路起保護(hù)作用,但它對晶閘管元件的保護(hù)作用較差。直流側(cè)快速熔斷器僅能對直流側(cè)短路與過載起保護(hù)作用。與元件串聯(lián)快速熔斷器,由于兩者電流相同,故元件保護(hù)作用最好,應(yīng)用極為廣泛。對中、小容量系統(tǒng)。一般只采用此種接法。圖10 快速熔斷器的接法a)交流側(cè)快速熔斷器 b)與器件串聯(lián)快速熔斷器 c
15、)直流側(cè)快速熔斷器過流保護(hù)電路采用采用型過電流保護(hù)電路如下圖。在三相母線每一相串接如圖的過流保護(hù)電路。圖11 采用型過電流保護(hù)電路iv. 緩沖電路緩沖電路的作用是抑制電力電子器件內(nèi)因過電壓或過電流,以減小器件的開關(guān)損耗。本設(shè)計中采用如圖所示的緩沖電路,其中電阻、電容的取值可根據(jù)實際流通晶閘管的電流、以及晶閘管的導(dǎo)通時間來選取。 圖12 緩沖電路原理圖1.2.6 電源電路系統(tǒng)輔助電源設(shè)計直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成:整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔?,因此,二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率(1kw)整流電路中,常見的幾種整流
16、電流有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計采用橋式整流電路,其主要特點是:輸出電壓高,紋波電壓小,管子所承受的最大反向電壓較低,電源變壓器充分利用,效率高。圖13 15v雙電源電路原理圖濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波,一般由電抗原件組成,如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器;在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感l(wèi),以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。2.系統(tǒng)設(shè)計方法及過程2.1系統(tǒng)設(shè)計對象設(shè)計書要求該系統(tǒng)采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電,基本數(shù)據(jù)如下:直流電動機(jī) =220v, =136a, =1460r/min,電樞電阻 =0.2,允許過載倍數(shù)=1.5;晶閘管裝置 =0.00167s,
17、放大系數(shù) =40;平波電抗器:電阻 、電感 ;電樞回路總電阻r=0.5;電樞回路總電感l(wèi)=15mh;電動機(jī)軸上的總飛輪慣量gd2=22.5nm2;電流調(diào)節(jié)器最大給定值 =10.2v,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器最大給定值 =10.5v;電流濾波時間常數(shù) =0.002s,轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) =0.01s。設(shè)計要求:1.穩(wěn)態(tài)指標(biāo):轉(zhuǎn)速無靜差;2.動態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量 ;空載啟動到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。根據(jù)上述參數(shù)計算可知:電動勢系數(shù):轉(zhuǎn)矩系數(shù):電磁時間常數(shù):機(jī)電時間常數(shù):晶閘管整流器滯后時間常數(shù):acr限幅值:asr限幅值:電樞回路最大電流:電流反饋系數(shù):轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):2.2系統(tǒng)設(shè)計原則“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” :從內(nèi)環(huán)開始
18、,逐步向外擴(kuò)展。在這里,首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.3系統(tǒng)設(shè)計步驟2.3.1電流環(huán)的設(shè)計1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時,可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響,即de0。這時,電流環(huán)如下圖所示:圖14 電流環(huán)設(shè)計圖a)如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi),同時把給定信號改成u*i(s) /b ,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng),如下圖:圖14 電流環(huán)設(shè)計圖b)最后,由于ts 和 t0i 一般都比tl 小得多,可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié),其時間常數(shù)為 ti = ts + toi ,電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終
19、簡化成下圖:圖14 電流環(huán)設(shè)計圖c)2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看,希望電流無靜差,以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性,由上圖可以看出,采用 i 型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看,實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào),以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值,而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素,為此,電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主,應(yīng)選用典型i型系統(tǒng)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消,選擇,則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為下圖所示的典型形式,其中其開環(huán)對數(shù)幅頻特性為:圖15 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及開環(huán)對數(shù)幅頻特性3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算電流濾波時間常數(shù):調(diào)節(jié)器參數(shù):acr的傳遞函數(shù)為:
20、電流環(huán)開環(huán)增益:要求時,應(yīng)取,因此:校驗近似條件:電流環(huán)截止頻率:(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件(2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件:滿足近似條件(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)圖16 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器 ui* 為電流給定電壓;bid 為電流負(fù)反饋電壓;uc 電力電子變換器的控制電壓。電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計算公式:,取=100,電流環(huán)校正為典型i型系統(tǒng)時:=100=0.3=0.082.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié),為此,須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖17可知
21、 圖17電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)忽略高次項,上式可降階近似為 :近似條件可由式(2-52)求出 :式中wcn 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為u*i(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 這樣,原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象,經(jīng)閉環(huán)控制后,可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖18中的電流環(huán)后,圖18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖19所示:圖19 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和電流環(huán)中一樣,把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi),同時將給定信號改成 u*n(s)/a,再把
22、時間常數(shù)為 1 / ki 和 t0n 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來,近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié),其中為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié),它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 中,現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié),所以應(yīng)該設(shè)計成典型 型系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見,asr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為:式中 kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù); t n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為則圖20 校正后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇綜合系統(tǒng)和特性考慮,選取h
23、=5,有:電流環(huán)等效時間常數(shù):轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù):轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù):asr的超前時間常數(shù)為:可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:可得asr的比例系數(shù)為:截止頻率:asr傳遞函數(shù)為:校驗近似條件:(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為:滿足簡化條件(2)轉(zhuǎn)速換小時間常數(shù)近似處理條件為:滿足近似條件轉(zhuǎn)速超調(diào)量驗證:ii型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量為:現(xiàn)在又有取中頻寬為h=5,當(dāng)按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系時,查表得,因此即能滿足設(shè)計要求。4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)圖21 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器u*n為轉(zhuǎn)速給定電壓;-a n 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓;u*i調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計算公式:,取=100,轉(zhuǎn)速環(huán)
24、校正為典型ii型系統(tǒng)時: =1100=0.07880.08=0.43.系統(tǒng)仿真及分析3.1 simulink仿真模型建立圖22直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)simulink仿真框圖(未優(yōu)化)根據(jù)前面acr和asr的設(shè)計及參數(shù)計算過程可以建立如上圖的simulink仿真模型。但是注意到,上述模型圖中asr和acr的輸出并沒有限幅作用。帶有限幅環(huán)節(jié)的具有輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器可能一般都會設(shè)計如下:圖23 用限幅環(huán)節(jié)模擬輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器但是該圖與實際的具有輸出飽和的調(diào)節(jié)器的特性完全不同。這是因為y2被限幅后,如果pi調(diào)節(jié)器的輸入不為零或不反向,則由于積分作用輸出值y1依然在不斷增加。于是在調(diào)節(jié)器輸入反向之后,
25、由于y1要從絕對值超出飽和值的地方開始退飽和,將大大加長飽和的持續(xù)時間。為了防治上述現(xiàn)象,可以采用與實際相近的模型如下圖所示。相比于圖2,該圖增加了一個非線性的反饋環(huán),反饋增益k選為足夠大的書。該框圖如下:圖24 具有輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器圖但是,圖24仍然存在一個問題,即含有“代數(shù)環(huán)”,采用此調(diào)節(jié)器進(jìn)行系統(tǒng)仿真是,會嚴(yán)重降低系統(tǒng)的仿真速度,甚至降低仿真精度或得到錯誤的仿真結(jié)果。為了避免代數(shù)環(huán),有許多種方法,可以采取在上圖中k環(huán)節(jié)之后加一個小慣性延時環(huán)節(jié),或者通過變換結(jié)構(gòu)避免代數(shù)環(huán)。我們采取后者的方法,進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)構(gòu)框圖如下:圖25 可避免“代數(shù)環(huán)問題”的具有輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器上圖所示的結(jié)構(gòu)具
26、有仿真速度快、精度高的優(yōu)點,由于控制器可以看作是p調(diào)節(jié)器和i調(diào)節(jié)器的疊加,顯然代數(shù)環(huán)由p調(diào)節(jié)器引入,考慮在輸出達(dá)到限幅時,僅通過反饋減小i調(diào)節(jié)器的輸入,這樣就消除了前饋通道中的比例環(huán)節(jié),避免了仿真系統(tǒng)中的代數(shù)環(huán)。將asr和acr環(huán)節(jié)改成上述結(jié)構(gòu),優(yōu)化之后的仿真結(jié)構(gòu)圖如下所示(附錄匯中有詳細(xì)的大圖):圖26 優(yōu)化之后的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖(附錄中有大圖)3.2參數(shù)驗證及優(yōu)化由前面計算可知,asr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=11.42,ki=11.42/0.0867=131.7,acr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=1.02,ki=34,當(dāng)空載起動時仿真運行結(jié)果如下圖所示:圖27 -1轉(zhuǎn)速n-t圖圖27-2電流idl-t
27、圖從圖中可知,轉(zhuǎn)速n無超調(diào),符合要求;電流idl超調(diào)為8%左右,不符合題目要求,所以需要優(yōu)化參數(shù)。經(jīng)過一些列的參數(shù)嘗試,且考慮到工程上k值一般均為整數(shù),最終確定asr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=9,ki=100,acr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=1,ki=27,此時空載啟動仿真結(jié)果如下:經(jīng)過優(yōu)化之后,系統(tǒng)空載啟動動態(tài)特性為:轉(zhuǎn)速超調(diào)量為0.34%,電流超調(diào)量為4.5%,均符合指標(biāo)要求。同時考察其轉(zhuǎn)速誤差量e如圖28所示:圖 28-1 轉(zhuǎn)速n-t圖圖 28-2 負(fù)載電流id-t圖由圖可知e最后的值為0,說明這是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng),符合設(shè)計要求。3.3仿真分析3.3.1起動過程仿真分析將轉(zhuǎn)速給定值un設(shè)為10.512
28、v,此時對應(yīng)的n轉(zhuǎn)速終值為額定轉(zhuǎn)速1460r/min。niduiuc圖29 空載起動過程中id、n、uc、ui與時間的關(guān)系其起動過程分析圖如下圖所示:圖30 起動過程分析圖第i階段電流上升的階段(0 t1)突加給定電壓 u*n 后,id 上升,當(dāng) id 小于負(fù)載電流 idl 時,電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng) id idl 后,電機(jī)開始起動,由于機(jī)電慣性作用,轉(zhuǎn)速不會很快增長,因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大,其輸出電壓保持限幅值 u*im,強迫電流 id 迅速上升。直到,id = idm , ui = u*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 id 了的增長,標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中,a
29、sr很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài),而acr一般不飽和。第 ii 階段恒流升速階段(t1 t2)在這個階段中,asr始終是飽和的,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán),系統(tǒng)成為在恒值電流u*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng),基本上保持電流id 恒定,因而系統(tǒng)的加速度恒定,轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時,電機(jī)的反電動勢e 也按線性增長,對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說,e 是一個線性漸增的擾動量,為了克服它的擾動, ud0和 uc 也必須基本上按線性增長,才能保持 id 恒定。當(dāng)acr采用pi調(diào)節(jié)器時,要使其輸出量按線性增長,其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值,也就是說, id 應(yīng)略低于 idm。恒流升速階段是起動過程中的主要階段。第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階
30、段( t2 以后)當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差減少到零,但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值u*im,所以電機(jī)仍在加速,使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后,asr輸入偏差電壓變負(fù),使它開始退出飽和狀態(tài), u*i 和 id 很快下降。但是,只要id仍大于負(fù)載電流 idl ,轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到id = idl時,轉(zhuǎn)矩te= tl,則dn/dt = 0,轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值(t = t3時)。此后,電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速,與此相應(yīng),在一小段時間內(nèi)(t3 t4),id idl,直到穩(wěn)定,如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好,也會有一些振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi),asr和acr都不飽和,asr
31、起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用,而acr則力圖使 id 盡快地跟隨其給定值u*i ,或者說,電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點: (1) 飽和非線性控制; (2) 轉(zhuǎn)速超調(diào); (3) 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。3.3.2抗負(fù)載擾動分析一般來說,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng),最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。首先來關(guān)注抗負(fù)載擾動分析。在idl處增加一階躍擾動,使得在t=1.5-2.5時,產(chǎn)生10a的擾動,此時,轉(zhuǎn)速n和負(fù)載電流id圖形如圖31所示。如圖所示,轉(zhuǎn)速和電流在1.5s時出現(xiàn)波動,但是轉(zhuǎn)速很快就調(diào)整回額定
32、值,電流也如此,抗負(fù)載擾動起到了良好效果。在此過程中,因為負(fù)載擾動出現(xiàn)在電流環(huán)之后,所以只能通過轉(zhuǎn)速環(huán)來調(diào)節(jié)消除擾動影響。圖31 抗負(fù)載擾動n、id與時間關(guān)系3.3.3抗電網(wǎng)電壓擾動分析調(diào)速系統(tǒng)除負(fù)載擾動外還經(jīng)常收到電網(wǎng)電壓的擾動影響,同抗負(fù)載擾動分析類似,在e(s)處增加一階躍擾動,使得在t=1.5-2.5時,產(chǎn)生10v的擾動,此時,轉(zhuǎn)速n和負(fù)載電流id圖形如下:圖32抗電網(wǎng)電壓擾動n、id與時間關(guān)系由圖可以看出,轉(zhuǎn)速n和電流id在1.5s時出現(xiàn)波動,但是轉(zhuǎn)速很快就調(diào)整回額定值,電流也如此,抗電網(wǎng)電壓擾動起到了良好效果。在此過程中,因為擾動產(chǎn)生在電流環(huán)之內(nèi),所以,主要依靠電流環(huán)的調(diào)節(jié)消除擾動
33、。也正因此,抗電網(wǎng)電壓擾動一般比通過轉(zhuǎn)速環(huán)消除的負(fù)載擾動要快一些,當(dāng)然也比單閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)消除擾動影響快很多。4.設(shè)計總結(jié)本文主要進(jìn)行了雙閉環(huán)v-m調(diào)速系統(tǒng)中主電路電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計,同時也進(jìn)行了部分的外圍電路,包括保護(hù)電路、檢測電路、輔助電源電路等。按照工程化的流程由內(nèi)到外的進(jìn)行了電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)器設(shè)計、參數(shù)計算、仿真驗證及優(yōu)化工作,滿足了課程設(shè)計任務(wù)書的全部要求,在起動過程中,主要由電流環(huán)起主要作用,在穩(wěn)態(tài)運行時,主要由轉(zhuǎn)環(huán)其主要作用,電流環(huán)僅表現(xiàn)為跟隨特性。然而,此次設(shè)計仍有很大的改進(jìn)的地方,比如可以做更多的不同參數(shù)的對比試驗,嘗試使用智能控制理論而不是傳統(tǒng)的pid控制方法進(jìn)行控制等。5.心得收獲本次課程設(shè)計中我主要負(fù)責(zé)了直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模型的建立、acr和asr參數(shù)的計算、電氣原理圖中保護(hù)系統(tǒng)的一部分和電氣原理圖框架的設(shè)計繪制等工作。通過本次課程設(shè)計我學(xué)到了很多東西。由于本次課程設(shè)計我主要負(fù)責(zé)的是前期的建模工作,這就首先給了我一個加深對于理論知識掌握的機(jī)會。課上老師給我們詳細(xì)介紹了直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理與工程化設(shè)計方法,涵蓋了acr和asr的模型選取、調(diào)節(jié)原理、參數(shù)計算等一系列的知識,但是這都是些理論知識,始終感覺無法真正的將一些給定的調(diào)節(jié)要求和參數(shù)演變?yōu)榫唧w的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器。而這個課程設(shè)計
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