《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析

武漢理工大學(xué)運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 自動化0507 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動化學(xué)院 題 目: 直流雙環(huán)系統(tǒng)（一）的設(shè)計及仿真分析（二） 初始條件：已知電動機參數(shù)：電動勢系數(shù)電樞回路總電阻觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)電磁時間常數(shù)機電時間常數(shù)電流與轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)；額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓調(diào)節(jié)器，飽和輸出電壓。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）試設(shè)計該轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)（由三相半波相控變流裝置供電），要求系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=10，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無差，電流超調(diào)量，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖并計算：(1) 電流反饋系數(shù)（啟動電流限制在以內(nèi)）和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；(2) 設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（?。?；(3) 設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，計算電阻和電容的數(shù)值（取）；(4) 讓電機空載啟動到額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運行后電動機突加額定負載，觀察并錄下電機的轉(zhuǎn)速、電流等的波形，并進行分析。時間安排：2008年12月29日上報設(shè)計選題2008年12月30日-200年1月4日確定并設(shè)計控制方案2009年1月5日-2009年1月8日按要求書寫課程設(shè)計說明書2009年1月9日提交報告指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目錄直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真.11.直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計.11.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成11.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu).21.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu).22.參數(shù)計算32.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計.32.2電流環(huán)的設(shè)計.32.3速度環(huán)的設(shè)計.43.MATLAB仿真.73.1仿真結(jié)構(gòu)圖.73.2仿真結(jié)果圖.83.3仿真結(jié)果分析.104.心得體會.135.參考文獻.1315 直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析1. 直流雙環(huán)系統(tǒng)設(shè)計 1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。主要原因是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。 圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(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。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)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖。1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。 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 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu) 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。 圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2. 參數(shù)計算2.1系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)計整流裝置的滯后時間常數(shù)TS。三相半波電路的平均失控電壓TS=0.0033S。電流反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。2.2電流環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。（2）根據(jù)設(shè)計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)無誤差，因此選擇型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為檢查對電源電壓的抗擾性能： ，參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表，可知道該典型I型系統(tǒng)動態(tài)性能各項指標(biāo)都是可以接受的。（3）計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時，由典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表可知，應(yīng)取,因此于是的比例系數(shù)為（4）檢驗近似條件電流環(huán)節(jié)截止頻率為：1) 晶閘管傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件2） 忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件2) 電流環(huán)小時間常數(shù)處理 滿足近似條件。（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容因為，所以各電阻和電容值為：參照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%5%，滿足設(shè)計要求所以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為2.3速度環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等小時間常數(shù)。=2 =20.0055s=0.011S轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取=+ =0.011+0.014=0.025s（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益于是的比例系數(shù)為(4)檢驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足近似條件2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件為滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由于，所以各個電阻和電容值為：（6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時，由典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)表查得，=52.6%，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)表是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按退飽和的情況重新計算超調(diào)量。由典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表查得當(dāng)時，所以 能滿足設(shè)計要求所以，根據(jù)上述參數(shù)，速度環(huán)傳遞函數(shù)為3. MATLAB仿真 3.1仿真結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)上述所設(shè)計的參數(shù)，在MATLAB中的simulink環(huán)境中對系統(tǒng)進行仿真，總結(jié)構(gòu)圖如圖3-1，轉(zhuǎn)速環(huán)ASR如圖3-2，電流環(huán)ACR如圖3-3所示 圖 3-1總結(jié)構(gòu)圖 圖3-2轉(zhuǎn)速環(huán)ASR 圖3-3電流環(huán)ACR3.2 仿真結(jié)果圖電機轉(zhuǎn)速n仿真波形圖3-4直流電動機負載電流Id仿真波形圖3-5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Ui*波形 圖3-6電流調(diào)節(jié)器輸出電壓（整流裝置輸入電壓Uct）波形 圖3-7電機電樞電壓Ud0波形 圖3-8 3.3 仿真結(jié)果分析3.3.1啟動過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于下圖。圖3-9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形第階段，突加給定電壓，電流上升。由于機電時間常數(shù)Tm比電磁時間常數(shù)Tl得多，即電機機械慣性比電磁慣性大得多，所以轉(zhuǎn)速仍然為0,則轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)速反饋電壓Un=0，因而轉(zhuǎn)速偏差電壓Un = Un* - Un很大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器WASR進入飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值Uim*。此階段電流調(diào)節(jié)器試圖按照電流設(shè)定值Ui*將電樞電流Id調(diào)節(jié)到電流最大值Idm，所以電流迅速上升，而轉(zhuǎn)速的增加較小。第階段，恒流升速階段。經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，電樞電流被調(diào)節(jié)到Idm，以充分利用電動機的過載能力，使電機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩加速。電機轉(zhuǎn)速迅速上升。此階段由于轉(zhuǎn)速小于給定值，Un*大于Un，誤差Un始終小于零，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直處于飽和狀態(tài)，其輸出一直保持Uim*。電流調(diào)節(jié)器給定一直為Uim*，因此在電流環(huán)定值控制作用下，Id保持Idm，電磁轉(zhuǎn)矩保持最大值，電機恒加速度升速。第階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。上一階段結(jié)束時，電機轉(zhuǎn)速到達給定值，由于電機保持最大轉(zhuǎn)矩，電機繼續(xù)加速，當(dāng)速度大于給定值時，Un 反號，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器逐漸退出飽和，電流環(huán)給定值變小，這時電機電樞電流在電流調(diào)節(jié)器作用下迅速變小。在Id減小到負載電流Idl之前，電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，電機加速過程變慢，但仍然處在升速過程。Id減小到Idl時，轉(zhuǎn)速到達第一次峰值，隨后，Id減小到Idl以下，因而電機電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速減小。在經(jīng)過一段調(diào)節(jié)過程后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器完全退飽和，發(fā)揮其控制作用維持轉(zhuǎn)速恒定；而電流調(diào)節(jié)器則保持電樞電流與負載電流平衡。由以上的分析過程可以看出，在電機啟動階段，雙環(huán)系統(tǒng)利用電機過載能力，將電樞電流調(diào)節(jié)到最大值，從而產(chǎn)生最大的加速電磁轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)獲得極好的加速性能；而調(diào)節(jié)器的限幅作用，還使電機的電樞電流得到限制，從而防止電機過載、超過電機的過載能力而導(dǎo)致電機燒毀。3.3.2 負載變化擾動的調(diào)節(jié)過程從圖1-3（雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖）可以看出，負載電流Idl在電流環(huán)之外，因此其擾動作用無法被電流調(diào)節(jié)環(huán)抑制，而是依賴于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負載電流Idl突然增大時，電樞電流Id小于Idl，電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電機減速。轉(zhuǎn)速反饋電壓Un減小而小于轉(zhuǎn)速給定電壓Un*，轉(zhuǎn)速偏差Un變正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器減大，使得電流調(diào)節(jié)環(huán)的給定值迅速增大，在電流調(diào)節(jié)器的作用下電樞電流迅速增大到負載電流Idl以上，從而使電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，電機加速。由于電流調(diào)節(jié)器的及時調(diào)節(jié)作用，電機的轉(zhuǎn)速還沒有減速超過給定太大，即在系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用下加速。電機轉(zhuǎn)速增大到給定以上時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器又降低電流調(diào)節(jié)器的給定值Ui*，使電樞電流被調(diào)節(jié)到負載電流附近。經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速最終恢復(fù)到給定值，而電樞電流與負載電流平衡而使轉(zhuǎn)速不再變化。從以上分析過程可以看出，轉(zhuǎn)速環(huán)將負載電流擾動包含其中，從而有效抑制了負載電流變化對電機轉(zhuǎn)速的干擾作用。4. 心得體會經(jīng)過兩個多星期的努力，我終于完成了這次運動控制系統(tǒng)的課程設(shè)計。通過這么多天的工作，我得到了很多收獲，也發(fā)現(xiàn)了很多自己的不足之處。如果說考試是驗證學(xué)習(xí)收獲的手段，那么課程設(shè)計就是對學(xué)習(xí)的升華。每次做課程設(shè)計，我都從中學(xué)到了不少有用的東西，這不光有有關(guān)課程的，還有許多課外的知識。這次也不例外，我不光對直流雙環(huán)系統(tǒng)有了更深刻的理解，同時對WORD，PROTELL等工具的運用也更加熟練。課程設(shè)計中應(yīng)用了調(diào)節(jié)器的設(shè)計，尤其是型系統(tǒng)和型系統(tǒng)的設(shè)計，通過分析系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的動態(tài)特性參數(shù)，確定調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，并最終用運算放大電路實現(xiàn)所設(shè)計的調(diào)節(jié)器。在設(shè)計過程中系統(tǒng)的降階處理也是至關(guān)重要的，通過處理，控制對象的數(shù)學(xué)模型大大簡化，從而方便了后續(xù)設(shè)計的進行。回想做課設(shè)的這些天，我感覺重要的是過程而不是結(jié)果，也許我的設(shè)計有很多缺陷或者錯誤，但是在做的過程中我學(xué)到了很多平時的學(xué)習(xí)中無法學(xué)到的知識和思考方法。這才是課設(shè)的價值所在。老師常說考試不是目的只是手段，我覺得做完課設(shè)也不是目的只是手段。它給我們提供了一個自己學(xué)習(xí)獨立思考的機會，這是其他課堂或考試都做不到的。其實我們目前的知識還是十分有限的，有很多東西或許我們現(xiàn)在根本就理解不了的?？蛇@并沒有關(guān)系，關(guān)鍵是我們認真的去思考了，并且我們在這思考過程中得到了鍛煉與提高。另外，這次課設(shè)讓我認識到了運動控制的復(fù)雜性以及在工業(yè)應(yīng)用中的重要性。我感到僅僅是課本上的那點知識是很有限的，我只是剛剛?cè)腴T，還有很多東西要去學(xué)。在這設(shè)計過程中，我也曾經(jīng)因為實踐經(jīng)驗的缺乏失落過，也曾經(jīng)仿真成功而熱情高漲。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。5. 參考文獻1.劉金琨，先進PID控制及其MATLAB仿真，電子工業(yè)出版社，20032.陳伯石，電力拖動自動控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，19993.趙影，電機與電力拖動，國防工業(yè)出版社，20054.蘇金明，MATLAB使用教程，電子工業(yè)出版社，20005.周淵深，交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真，中國電力出版社，2000本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名性 別專業(yè)、班級課程設(shè)計題目：課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：成績評定依據(jù)：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日