《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 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(jī)參數(shù)為：額定電壓,額定電流；額定轉(zhuǎn)速,，允許過(guò)載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時(shí)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建立電流環(huán)仿真模型；（2）分析電流環(huán)無(wú)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(dòng)、滿載起動(dòng)、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(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:164-169時(shí)間安排：2011年12月5日至2011年12月14日，歷時(shí)一周半，具體進(jìn)度安排見(jiàn)下表具體時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容12.5指導(dǎo)老師就課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)要求、進(jìn)度安排、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等做具體介紹；學(xué)生確定選題，明確設(shè)計(jì)要求12.612.9開(kāi)始查閱資料，完成方案的初步設(shè)計(jì)12.1012.11由指導(dǎo)老師審核仿真模型，學(xué)生修改、完善并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析12.1212.13撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12.14上交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，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(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)于需要快速正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)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，可在系統(tǒng)里設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，組成串級(jí)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(duì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄1 設(shè)計(jì)的初始條件及任務(wù)11.1概述11.2初始條件11.3要完成的任務(wù)12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理22.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹22.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成32.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用33電流環(huán)的MATLAB計(jì)算、建立及仿真43.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)43.2電流環(huán)仿真模型設(shè)計(jì)53.3電流環(huán)調(diào)節(jié)器分析54轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計(jì)算、建立及仿真74.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)74.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型設(shè)計(jì)84.3轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真85小結(jié)與體會(huì)10參考文獻(xiàn)11運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真1 設(shè)計(jì)的初始條件及任務(wù)1.1概述本次仿真設(shè)計(jì)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(gè)動(dòng)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(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)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)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。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(jī)參數(shù)為：額定電壓,額定電流；額定轉(zhuǎn)速,，允許過(guò)載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)；電樞回路總電阻；時(shí)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(wú)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(dòng)、滿載起動(dòng)、抗擾波形圖仿真曲線；5）電流超調(diào)量，轉(zhuǎn)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(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)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?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)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)是專門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)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(dòng)時(shí)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(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖2-1b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(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(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)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(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)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(shí)加到一個(gè)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?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)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(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)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)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI1調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I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(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性1；作為控制器時(shí)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(dòng)態(tài)性能。MTGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-TG 環(huán)ni外環(huán)內(nèi)環(huán)圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(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(gè)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(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。（2）對(duì)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(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。（3）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動(dòng)。（4）當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護(hù)作用。當(dāng)故障消失時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。3電流環(huán)的MATLAB計(jì)算、建立及仿真3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間近似處理 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可將電流環(huán)校成典型系統(tǒng)，典型系統(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(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間參數(shù)：電流開(kāi)環(huán)增益 ：要求時(shí)，應(yīng)該取,因此： 根據(jù)上述的設(shè)計(jì)參數(shù)，電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，符合設(shè)計(jì)要求。3.2電流環(huán)仿真模型設(shè)計(jì)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(shí)，按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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3-2 電流環(huán)臨界超調(diào)輸出波形2）KT=0.25時(shí)，按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wú)超調(diào)輸出波形3）KT=1.0時(shí)，按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)上升時(shí)間越快，但同時(shí)超調(diào)量也比較大，當(dāng)KT=0.5時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)較合理。4轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計(jì)算、建立及仿真4.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取，則： 設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，起傳遞函數(shù)為：計(jì)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(shí)間常數(shù)為：進(jìn)而可求得，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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(jì)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(jì)算出來(lái)的結(jié)果：?？蛰d起動(dòng)時(shí)波形為：圖4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動(dòng)輸出波形2）滿載運(yùn)行時(shí)起動(dòng)的波形：圖4-3 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)輸出波形3）抗干擾性的測(cè)試：圖4-4 轉(zhuǎn)速環(huán)的抗干擾輸出波形115小結(jié)與體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)中，我們學(xué)到了許多課堂上學(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(shí)間和精力。本次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)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(duì)典型I系統(tǒng)設(shè)計(jì)加深了認(rèn)識(shí)。通過(guò)matlab的仿真，使我對(duì)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(jì)是對(duì)我們?cè)谶@學(xué)期學(xué)到的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)這門(mén)課的理論知識(shí)的一個(gè)綜合測(cè)評(píng)，是對(duì)我們將理論結(jié)合時(shí)間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識(shí)的途徑。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓我們對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)各個(gè)部分都有所認(rèn)知。同時(shí)也可以通過(guò)課程設(shè)計(jì)，了解理論知識(shí)哪些方面比較薄弱，及時(shí)查漏補(bǔ)缺。參考文獻(xiàn)1洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052阮毅.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20093陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20044楊庚辰.自動(dòng)控制原理.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20055 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