《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計及恒負載擾動電流環(huán)突然斷線matlab仿真

武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書目錄摘要11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介及調(diào)節(jié)器工程設計方法21.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖21.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖21.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖31.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用31.5 電流調(diào)節(jié)器作用31.6 調(diào)節(jié)器工程設計方法32 調(diào)節(jié)器設計52.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算52.2 電流調(diào)節(jié)器設計52.2.1 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設計52.2.2 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設計62.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計82.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設計82.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)設計103 Matlab仿真123.1 起動轉(zhuǎn)速和啟動電流的仿真123.2 直流電壓Ud仿真133.3 ASR輸出電壓仿真143.4 ACR輸出電壓仿真144 小結(jié)和心得體會15參考文獻16摘要本課程設計就要求結(jié)合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進行工程設計，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進行合理的工程設計。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎，所以掌握雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對于電力拖動控制系統(tǒng)的學習有很重要的作用。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，這樣形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。而合理地選擇電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)則是為了使系統(tǒng)更好的滿足生產(chǎn)工藝所要求的性能指標。關鍵詞：雙閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計及恒負載擾動電流環(huán)突然斷線matlab仿真1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介及調(diào)節(jié)器工程設計方法1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快德跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。1.5 電流調(diào)節(jié)器作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）對轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。1.6 調(diào)節(jié)器工程設計方法現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電動機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)可以近似為低階系統(tǒng)，而用運算放大器或微機數(shù)字控制可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)做比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當作預期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設計時，只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設計過程就要簡便得多，這就是工程設計方法。調(diào)節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果要求更精確的動態(tài)性能，在典型系統(tǒng)設計的基礎上，利用MATLAB或SIMULINK進行計算機輔助分析和設計，也可設計出實用有效的控制系統(tǒng)。作為工程設計方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設計過程分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)果，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。以上兩步就把穩(wěn)、準、快、抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)態(tài)性的穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進一步滿足其他動態(tài)性能指標?？刂葡到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成 （1-1）分母中的sr項表示該系統(tǒng)在s=0處有r重極點，或者說，系統(tǒng)含有r個積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0型系統(tǒng)（r=0），至少是型系統(tǒng)（r=1）；當給定是斜坡輸入時，則要求是型系統(tǒng)（r=2）才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差。選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由于型（r=3）和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把型和型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設計的目標。2 調(diào)節(jié)器設計2.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 2.2 電流調(diào)節(jié)器設計2.2.1 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設計電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化緩慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖，如圖2-1（a）所示?？梢宰C明，忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是： （2-1）式中 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。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)，同時把給定信號改為，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖2-1（b）所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值相同的方便之處。由于和一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 （2-2）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖2-1（c）所示。簡化的近似條件為 （2-3）圖2-1電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡（a）忽略反電動勢的動態(tài)影響 （b）等效成單位負反饋系統(tǒng) （c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.2.2 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設計（1）確定時間常數(shù)：整流裝置滯后時間常數(shù)，查表得三相半波電路的平均失控時間=0.0033s。電流濾波時間常數(shù)，三相半波電路每個波頭時間為6.67ms，為了基本濾平波頭，應有（1-2）=6.67ms，因此取=2.7ms=0.0027s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取=+=0.006s。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：根據(jù)設計要求，并保證電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （2-4）檢查抗擾性能：，查表2-2可得各項指標均可接受。（3）計算ACR參數(shù)：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：ACR比例系數(shù)：（4）電流環(huán)校驗近似條件電流環(huán)截止頻率為： 1檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件： 滿足2檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足3校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： 滿足（5）計算電容電阻圖2-2電流調(diào)節(jié)器ACR電路圖按所選放大器取，各電阻和電容計算如下：2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計2.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設計用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-3（a）。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，并將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(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 （2-5）則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖2-3（b）a）b）c）圖2-3轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化（a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) （b）等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的近似處理 （c）校正后成為典型型系統(tǒng)為了實現(xiàn)無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，由于擾動作用點后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)中就有兩個積分環(huán)節(jié)，應該設計為典型型系統(tǒng)，ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 （2-6）式子中為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （2-7）令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： （2-8）按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關系，有 （2-9） （2-10）所以 （2-11）一般取h=5。2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)設計（1）確定時間常數(shù)：1電流環(huán)等效時間常數(shù)。取 2轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)3轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見公式（2-6）。（3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為開環(huán)增益ASR比例系數(shù)（4）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截至頻率1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： 滿足 2轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： 滿足3計算電阻電容 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖2-4所示。圖2-4含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取，則 （5）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查表得，不能滿足設計要求。實際上，突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和時的情況重新計算。查表得，=81.2%,=2（）（）=2*81.2%*1.5*=12.63%<15%滿足空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的超調(diào)量要求。3 Matlab仿真采用MATLAB對雙閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真，繪制直流調(diào)速系統(tǒng)（）穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線仿真框圖如下圖3-1所示。圖3-1 仿真模型圖3.1 起動轉(zhuǎn)速和啟動電流的仿真 下圖的02秒時間段為空載啟動，第2秒進入額定轉(zhuǎn)速，在第4秒時電流環(huán)斷開。波形如下圖所示。圖3-2 起動轉(zhuǎn)速和起動電流波形圖1 02s:空載啟動，電流上升階段電流很快達到最大值，ASR很快進入飽和狀態(tài)。恒流升速階段ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，電流基本恒定，轉(zhuǎn)速則呈線性增長。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，ASR輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差為負，開始退飽和，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流逐漸穩(wěn)定下來。 2 24s:進入第2秒時，突加恒定負載，電流迅速上升，此時轉(zhuǎn)速下降，后又趨于額定轉(zhuǎn)速1000r/min保持不變，而此時電流也下降為額定電流308A保持不變。3 4s后：進入第4秒時，電流環(huán)斷線，ACR沒有電流反饋環(huán)節(jié)，電流很快增加，轉(zhuǎn)速反饋增大，ASR輸出減小，使ACR輸入增大，轉(zhuǎn)速反饋減小，與給定偏差增大，ASR輸出增大，ACR輸入增大，轉(zhuǎn)速反饋增大，依次這樣震蕩。轉(zhuǎn)速和電流超調(diào)量計算：轉(zhuǎn)速超調(diào)量，滿足動態(tài)指標。電流超調(diào)量，滿足動態(tài)指標。3.2 直流電壓Ud仿真圖3-3 直流電壓Ud波形 計算得ACR飽和輸出的臨界值為Ucm=7.184，為了看到4s后的振蕩波形，所以設定 ACR調(diào)節(jié)器的飽和輸出電壓設為Ucm=7.3V（略大于臨界值），所以電力電子器件整流后的直流電壓Ud還有最大值Udm，所以在波形圖中Ud波形不能超出Udm。 根據(jù)給出數(shù)據(jù)，求得Ud=Cen+IdR=0.196*1000+308*0.18=251.44V，與仿真結(jié)果一致。3.3 ASR輸出電壓仿真圖3-4 ASR輸出電壓波形在起動時的電流上升階段和恒流升速階段ASR都處于飽和狀態(tài)；進入第2秒時，突加恒定負載，轉(zhuǎn)速迅速下降，使得轉(zhuǎn)速偏差電壓增大，ASR輸出電壓也增大，當轉(zhuǎn)速恒定為額定轉(zhuǎn)速時ASR輸出電壓也保持不變。3.4 ACR輸出電壓仿真圖3-5 ACR輸出電壓波形4 小結(jié)和心得體會通過這次的課程設計我學會了很多東西，讓我更對課堂上學到的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了鞏固和加深。我了解到理論聯(lián)系實際是多么重要，同時又是多么的困難，還有平時學習一定要認真踏實，把理論知識要弄懂要理解消化為自己的知識，同時要學會在理論學習時善于思考，多得一些自己的想法和思路，并且多讀一些課外書，開闊視野增長一些課外知識。本課程設計就要求結(jié)合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進行工程設計，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進行合理的工程設計。在完成了理論的參數(shù)設計以后，在Matlab軟件中進行仿真運行，從運行結(jié)果圖來看，本次設計基本完成了任務要求。前面的參數(shù)設計都不難，和平時上課時做過的作業(yè)是差不多類型的。而Matlab仿真部分，因為做過了多次課程設計，對Matlab基本操作也比較了解，參考了課本上的原理講解以后很容易完成了Matlab仿真任務。感謝這次課設過程中給予我?guī)椭瑢W和老師，并且感謝學校給予我們這次機會提高自己的實踐能力。這次的課設終于結(jié)束了，我感到什么事都不應該輕易放棄，只要努力就會有結(jié)果。再次深深的感謝老師對于我的幫助與指導，使我學到這么多知識。參考文獻1 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2009.82 王兆安、黃俊.電力電子技術（第五版）.北京：機械工業(yè)出版社，2009.53 李發(fā)海，王巖.電機拖動基礎（第三版）.北京：清華大學出版社，2005.84 沈輝.精通SIMULINK系統(tǒng)仿真與控制.北京：北京大學出版社，20035 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