《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
《《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》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)計直流雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析(17頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、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(jī)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(jī)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
2、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(jī)空載啟動到額定轉(zhuǎn)速,穩(wěn)定運行后電動機(jī)突加額定負(fù)載,觀察并錄下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流等的波形,并進(jìn)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
3、、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(xiàn).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(fù)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(fù)載動態(tài)速降
4、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(fù)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(qiáng)烈的負(fù)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(fù)反饋就可以保持該量基本不變,那么,采用電流負(fù)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(fù)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行嵌套(或稱串
5、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
6、 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(dá)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,
7、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:
8、參照上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)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
9、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(jìn)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
10、 圖3-3電流環(huán)ACR3.2 仿真結(jié)果圖電機(jī)轉(zhuǎn)速n仿真波形圖3-4直流電動機(jī)負(fù)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(jī)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(jī)電時間常數(shù)Tm比電磁時間常數(shù)Tl得多
11、,即電機(jī)機(jī)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(jìn)入飽和狀態(tài),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達(dá)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(jī)的過載能力,使電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩加速。電機(jī)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U
12、im*,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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)給定值,由于電機(jī)保持最大轉(zhuǎn)矩,電機(jī)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(jī)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(fù)載電流Idl之前,電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)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(dá)第一次峰值,隨后,Id減小到Idl以下,因而電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)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
13、電流與負(fù)載電流平衡。由以上的分析過程可以看出,在電機(jī)啟動階段,雙環(huán)系統(tǒng)利用電機(jī)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(jī)的電樞電流得到限制,從而防止電機(jī)過載、超過電機(jī)的過載能力而導(dǎo)致電機(jī)燒毀。3.3.2 負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)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)
14、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(fù)載電流Idl以上,從而使電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)加速。由于電流調(diào)節(jié)器的及時調(diào)節(jié)作用,電機(jī)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(jī)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(fù)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(fù)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(fù)載電流擾動包含其中,從而有效抑制了負(fù)載電流變化對電機(jī)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
15、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(jìn)行?;叵胱稣n設(shè)的這些天,我
16、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(jī)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。可這并沒有關(guān)系,關(guān)鍵是我們認(rèn)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(rèn)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,
17、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(xiàn)1.劉金琨,先進(jìn)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(jī)械工業(yè)出版社,19993.趙影,電機(jī)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
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