《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

《《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真（15頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 初始條件： 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電機參數(shù)為：額定電壓,額定電流；額定轉(zhuǎn)速,，允許過載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時間常數(shù)；電流反饋系數(shù);轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 要求完成的主要任務(wù): （1）用MATLAB

2、建立電流環(huán)仿真模型； （2）分析電流環(huán)無超調(diào)、臨界超調(diào)、超調(diào)較大仿真曲線； （3）用MATLAB建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型； （4）分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線； （5）電流超調(diào)量，轉(zhuǎn)速超調(diào)量。 參考文獻(xiàn)： [1] 洪乃剛.《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.北京：機械工業(yè)出版社，2005:164-169 時間安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，歷時一周半，具體進(jìn)度安排見下表 具體時間 設(shè)計內(nèi)容 12.5 指導(dǎo)老師就課程設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計要求、進(jìn)度安排、評分標(biāo)準(zhǔn)等做具體介紹；學(xué)生確定選題，明確設(shè)計要求 12.6－12.9 開始

3、查閱資料，完成方案的初步設(shè)計 12.10—12.11 由指導(dǎo)老師審核仿真模型，學(xué)生修改、完善并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析 12.12－12.13 撰寫課程設(shè)計說明書 12.14 上交課程設(shè)計說明書，并進(jìn)行答辯 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 摘要 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜、動態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)，對于需要快速正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起動、制動過程的時間成為提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在

4、系統(tǒng)里設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，組成串級控制。本文介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，而且用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速、轉(zhuǎn)速、電流、Simulink 《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 目錄 1 設(shè)計的初始條件及任務(wù) 1 1.1概述 1 1.2初始條件 1 1.3要完成的任務(wù) 1 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 2 2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 2 2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 3 2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用 3 3電流環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 4 3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 4 3.2電流環(huán)仿真模型設(shè)計 5 3.3電流環(huán)調(diào)節(jié)

5、器分析 5 4轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 7 4.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 7 4.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型設(shè)計 8 4.3轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真 8 5小結(jié)與體會 10 參考文獻(xiàn) 11 《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 1 設(shè)計的初始條件及任務(wù) 1.1概述 本次仿真設(shè)計需要用到的是Simulink仿真方法，Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清

6、晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。 1.2初始條件 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電機參數(shù)為：額定電壓,額定電流；額定轉(zhuǎn)速,，允許過載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時間常數(shù)；電流反饋系數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。 1.3要完成的任務(wù) 1）用MATLAB建立電流環(huán)仿真模型； 2）分析電流環(huán)無超調(diào)、臨界超調(diào)、超調(diào)較大仿真曲線； 3）用MATLAB建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型； 4）分析轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動、滿載起動、抗擾波形圖仿真曲線； 5）電流超調(diào)量，轉(zhuǎn)

7、速超調(diào)量。 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。 在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

8、是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增

9、長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n n (a) (b) (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程 圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，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(fù)反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題

10、是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段。 2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)

11、速系統(tǒng)。 該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]，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[1]；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。 M TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + - Uct TA + - Ud Id UPE - TG 環(huán) n i 外環(huán) 內(nèi)環(huán) 圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉

12、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用 1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 （1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當(dāng)偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。 （2）對負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。 2)電流調(diào)節(jié)器的作用 （1）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。 （2）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。 （3）起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動。 （4）當(dāng)電機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當(dāng)故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。 3電流環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計

13、 確定時間常數(shù)，電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間近似處理 根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可將電流環(huán)校成典型Ⅰ系統(tǒng)，典型Ⅰ系統(tǒng)的跟隨性較好，超調(diào)量較小。設(shè)傳遞函數(shù)的形式為： 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的超前時間參數(shù)： 電流開環(huán)增益 ：要求時，應(yīng)該取,因此： 根據(jù)上述的設(shè)計參數(shù)，電流環(huán)可達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，符合設(shè)計要求。 3.2電流環(huán)仿真模型設(shè)計 圖3-1 電流環(huán)仿真模型 3.3電流環(huán)調(diào)節(jié)器分析 1）KT=0.5時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形：

14、 圖3-2 電流環(huán)臨界超調(diào)輸出波形 2）KT=0.25時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形： 圖3-3 電流環(huán)無超調(diào)輸出波形 3）KT=1.0時，按典型系統(tǒng)的設(shè)計方法得到的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，可以得到電流環(huán)階躍響應(yīng)的仿真輸出的波形： 圖3-4 電流環(huán)超調(diào)較大輸出波形 總結(jié)：從以上各電流環(huán)的圖形得出KT越大時上升時間越快，但同時超調(diào)量也比較大，當(dāng)KT=0.5時，各項動態(tài)參數(shù)較合理。 4轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計算、建立及仿真 4.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)。取，則：

15、 設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，起傳遞函數(shù)為： 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為： 進(jìn)而可求得，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： 可求得ASR的比例系數(shù)為： 4.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型設(shè)計 圖4-1 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型 4.3轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真 1）PI調(diào)節(jié)器按照計算出來的結(jié)果：?？蛰d起動時波形為： 圖4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動輸出波形 2）滿載運行時起動的波形： 圖4-3 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動輸出波形 3）抗干擾性的測試： 圖4-4 轉(zhuǎn)速環(huán)的抗干擾輸出波形 11 5小結(jié)與體會 這次課程設(shè)計中，我們學(xué)到了許多課堂

16、上學(xué)不到的東西，尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多時間和精力。 本次課程設(shè)計讓我對《電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)》的核心內(nèi)容---轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解，對典型I系統(tǒng)設(shè)計加深了認(rèn)識。通過matlab的仿真，使我對雙閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)有了直觀的印象。 課程設(shè)計是對我們在這學(xué)期學(xué)到的電力拖動自動控制系統(tǒng)這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結(jié)合時間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑。通過對系統(tǒng)的設(shè)計，讓我們對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)各個部分都有所認(rèn)知。同時也可以通過課程設(shè)計，了解理論

17、知識哪些方面比較薄弱，及時查漏補缺。 參考文獻(xiàn) [1]洪乃剛.《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.北京：機械工業(yè)出版社，2005 [2]阮毅.《電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)》.北京：機械工業(yè)出版社，2009 [3]陳伯時.《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（第2版）.北京：機械工業(yè)出版社,2004 [4]楊庚辰.《自動控制原理》.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005 [5] A. M. Hava, R. J. Kerkman and T. A. Lipo.《A high-performance generalized discontinuous PWM algorithm》.Ind.Applicat.1998