電氣傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-.doc

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電氣傳動(dòng)課程設(shè)計(jì) 班 級(jí)：06111102 姓名：古海君 學(xué)號(hào)：1120111573 其它小組成員： 余德本 梁澤鵬 王鵬宇 2014．10．2 摘要 本次課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并調(diào)試出直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。通過搭建電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）和轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差，動(dòng)態(tài)時(shí)電流超調(diào)量小于5%，并且空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10%。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置選用晶閘管，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流伺服電動(dòng)機(jī)。 本文首先明確了課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，對(duì)其中的相關(guān)概念進(jìn)行分析。之后對(duì)課題的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行調(diào)研，了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用意義和價(jià)值。然后對(duì)實(shí)驗(yàn)條件作了詳細(xì)介紹，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)各個(gè)組成部分以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選型和工作原理。以上內(nèi)容均為課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，之后重點(diǎn)記錄了實(shí)驗(yàn)的測(cè)試、仿真和調(diào)試過程。其中，測(cè)試部分詳細(xì)介紹了各個(gè)電機(jī)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試方法和數(shù)據(jù)結(jié)果，并利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)；仿真部分利用matlab軟件通過已經(jīng)求得的參數(shù)得出計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，并觀察是否滿足任務(wù)書要求；調(diào)試部分是核心，給出了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試全部過程并配以圖片加以說明。文章最后給出測(cè)試結(jié)果從而得出結(jié)論，并論述了實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)并加以總結(jié)。 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能優(yōu)良，應(yīng)用廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng),，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，并且具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，值得更加深入的學(xué)習(xí)研究。 目錄 一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書……………………………………………1 二、課題的發(fā)展?fàn)顩r研究意義…………………………………1 三、設(shè)備選型……………………………………………………2 四、實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介…………………………………………………4 五、參數(shù)測(cè)試……………………………………………………7 六、參數(shù)設(shè)計(jì)……………………………………………………13 七、系統(tǒng)調(diào)試……………………………………………………16 八、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果………………………………………………23 九、實(shí)驗(yàn)室安全及實(shí)驗(yàn)過程注意事項(xiàng)…………………………24 十、總結(jié)和心得體會(huì)……………………………………………25 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………… 25 附1：實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題及解決方法……………………… 26 附2：小組分工，個(gè)人主要工作及完成情況………………… 27 一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)并調(diào)試出直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。通過搭建電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）和轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)），同時(shí)使用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)速無靜差，動(dòng)態(tài)時(shí)電流超調(diào)量小于5%，并且空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10%。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置選用晶閘管，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。 二、課題的發(fā)展?fàn)顩r研究意義 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有90％以上的動(dòng)力 源來自于電動(dòng)機(jī)。我國(guó)生產(chǎn)的電能大約有60％用于電動(dòng)機(jī)。可見，電動(dòng)機(jī)與人們的生活息息相關(guān)、密不可分。[1] 直流電氣傳動(dòng)經(jīng)歷了如下的發(fā)展歷程:開環(huán)控制→單閉環(huán)控制→多閉環(huán)控制;硬件控制→軟件控制;模擬電路控制→數(shù)模電路混合控制→數(shù)字電路控制;分立元件電路控制→小規(guī)模集成電路控制→大規(guī)模集成電路控制。[2] 在電動(dòng)機(jī)的控制方法中，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以長(zhǎng)期以來，它一直占據(jù)壟斷地位，在許多工業(yè)部門，如機(jī)床"軋鋼"紡織"造紙等需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。[3] 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng),在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中有大量的參數(shù)需要計(jì)算和調(diào)整，運(yùn)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法工作量大，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy.利用MATLAB/Simulink對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究已經(jīng)成為近幾年人們研究的熱點(diǎn)。[4] 利用單片機(jī)控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵算法由軟件實(shí)現(xiàn)，可編程性好，可在不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用不同的控制算法，且無需改變外圍電路，因而具有很好的靈活性，易于控制系統(tǒng)升級(jí)，可以滿足一些特殊場(chǎng)合要求。[5] 在智能控制方面，遺傳算法較工程設(shè)計(jì)法獲得了更優(yōu)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得系統(tǒng)性能指標(biāo)有了顯著的提高；同時(shí)與傳統(tǒng)遺傳算法比較，新的自適應(yīng)遺傳算法大大提高了收斂速度，提高了設(shè)計(jì)效率，實(shí)驗(yàn)證明遺傳算法在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有有效性和實(shí)用價(jià)值。[6] 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)過程必不可少的重要步驟。由于系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)往往與理論設(shè)計(jì)時(shí)所取得的值有誤差，而且系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)的非線性因素會(huì)造成使用理論設(shè)計(jì)出的參數(shù)不能立即獲得理想的調(diào)速性能，因此需反復(fù)調(diào)試。[7] 此外，往往需要先利用工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)閉環(huán)控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。仿真結(jié)果可驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、調(diào)速性能和精度，使得調(diào)試過程更加簡(jiǎn)化。[8] 轉(zhuǎn)速—電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，且設(shè)計(jì)較為方便，是應(yīng)用非常廣泛的一種調(diào)速系統(tǒng)。它也是“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的重要內(nèi)容。目前,全國(guó)各大專院校、科研單位和廠家都在進(jìn)行雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)。[9] 隨著現(xiàn)代非線性技術(shù)發(fā)展，楊祖元等提出了采用模糊PID控制技術(shù)以提高調(diào)速系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力,為復(fù)雜、時(shí)變的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)獲得較優(yōu)控制效果提供了一種有效解決的途徑。新的雙閉環(huán)系統(tǒng)控制方法正在被更廣泛的挖掘和研究。{10} 三、設(shè)備選型 1. 直流伺服電動(dòng)機(jī) 1) 型號(hào):130SZ01 2) 技術(shù)參數(shù)： 3) 使用條件：海拔不超過4000m；環(huán)境溫度：－40°C～55°C；空氣相對(duì)濕度：≤95％(25℃時(shí))；振動(dòng)：振頻10～150Hz，加速度2.5g;；沖擊：7g(峰值）；允許溫升：不超過75K（海拔為1000m時(shí)）。 4) 工作原理：電動(dòng)機(jī)在本次實(shí)驗(yàn)用作執(zhí)行元件，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。它主要包括一個(gè)分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞。在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，其在電樞鼠籠式鋁框中有電流通過并受磁場(chǎng)的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。 5) 功能：130SZ系列微型直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制等系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，也可用作驅(qū)動(dòng)元件。本系列電動(dòng)機(jī)是我國(guó)自行設(shè)計(jì)的新系列產(chǎn)品，同老系列S系列產(chǎn)品相比，具有體積小、重量輕、力能指標(biāo)高等特點(diǎn)，且產(chǎn)品系列化程度高，零部件通用化程度強(qiáng)。 6) 市場(chǎng)價(jià)格：600元。 2. 交直流電流傳感器 1) 型號(hào):WBI125E01 2) 技術(shù)參數(shù)：IN：AC/DC 0-5A；OUT：DC 0-5V；電流測(cè)量精度：+0.5%。 3) 工作原理：光電隔離原理、磁調(diào)制隔離原理。 4) 功能：交直流電流傳感器可以將待檢測(cè)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的直流信號(hào)并進(jìn)行隔離傳送，構(gòu)成一個(gè)具有隔離功能的檢測(cè)電路，以保證系統(tǒng)電路和操作人員的安全。可對(duì)電網(wǎng)或電路中的交直流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，具有體積小、響應(yīng)快、高精度、低漂移等特點(diǎn)。 5) 市場(chǎng)價(jià)格：182元。 3. 交直流電壓傳感器（IN：AC/DC 0-500V；OUT：DC 0-5V） 1) 型號(hào):WBV125E01 2) 技術(shù)參數(shù)：IN：AC/DC 0-500V；OUT：DC 0-5V；電壓測(cè)量精度：+0.5%。 3) 工作原理：光電隔離原理、磁調(diào)制隔離原理。 4) 功能：交直流電壓傳感器可以將待檢測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的直流信號(hào)并進(jìn)行隔離傳送，構(gòu)成一個(gè)具有隔離功能的檢測(cè)電路，以保證系統(tǒng)電路和操作人員的安全?？蓪?duì)電網(wǎng)或電路中的交直流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，具有體積小、響應(yīng)快、高精度、低漂移等特點(diǎn)。 5) 市場(chǎng)價(jià)格：210元。 四、實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要分為給定、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行、檢測(cè)、電源及保護(hù)幾個(gè)功能模塊。強(qiáng)電和弱點(diǎn)由兩路開關(guān)分別控制。 1. 電源模塊 電源模塊提供了三個(gè)檔位的三相交流電，使用起來十分方便。 電源模塊 2. 電源開關(guān)及保護(hù)模塊 電源開關(guān)有三個(gè)，分別為實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源總開關(guān)、強(qiáng)電開關(guān)和弱電開關(guān)。為避免危險(xiǎn)，該模塊還加入了急停按鈕以及各種錯(cuò)誤類型的報(bào)警指示燈，便于實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行。 電源開關(guān)及保護(hù)模塊 3. 弱電給定模塊 弱電給定模塊用于產(chǎn)生給定電壓不同、方向不同的的階躍或斜坡信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中均使用階躍信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而起到弱電控制強(qiáng)電作用。 弱電給定模塊 4. 驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)模塊由晶閘管構(gòu)成的三相橋式電路組成，為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供可控電壓。 驅(qū)動(dòng)模塊 5. 執(zhí)行模塊 執(zhí)行模塊包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁。共有四個(gè)電樞接口及四個(gè)勵(lì)磁接口共八個(gè)接口。兩個(gè)可調(diào)恒壓源提供勵(lì)磁電壓。 執(zhí)行模塊 6. 檢測(cè)模塊 實(shí)驗(yàn)中用到的檢測(cè)模塊包括電流檢測(cè)模塊和轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊，用于搭建反饋通道，其中反饋系數(shù)可以根據(jù)需要自行調(diào)整。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊 五、參數(shù)測(cè)試 1. 測(cè)量電機(jī)兩條機(jī)械特性曲線，并計(jì)算靜差率 1) 實(shí)驗(yàn)電路圖 機(jī)械特性測(cè)試電路 2) 實(shí)驗(yàn)步驟 a) 按原理圖接線，最小負(fù)載，給定電壓為零。 b) 老師檢查后方可上電。 c) 逐步增大給定電壓，當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，將負(fù)載開關(guān)打到空載位置。 d) 逐漸增大給定電壓，使電樞電壓為110V，記錄此時(shí)的轉(zhuǎn)速和電樞電流。 e) 將負(fù)載開關(guān)閉合到小負(fù)載位置記錄此時(shí)的轉(zhuǎn)速和電樞電流。 f) 逐漸增加負(fù)載，記錄負(fù)載電流分別為0.6A~4A區(qū)間5個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。 g) 調(diào)整給定電壓，電樞兩端電壓為55V.重復(fù)上述步驟。 3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 Ud=110V時(shí)：空載轉(zhuǎn)速n0=1720 轉(zhuǎn)速n（r/min） 1600 1550 1470 電樞電流I（A） 1 1.5 2 Ud=55V時(shí)：空載轉(zhuǎn)速n0=850 轉(zhuǎn)速n（r/min） 800 780 720 電樞電流I（A） 0.5 0.7 1 4) 機(jī)械特性曲線 機(jī)械特性曲線 5) 轉(zhuǎn)差率計(jì)算 當(dāng)Ud=110V時(shí)： 當(dāng)Ud=55V時(shí)： 2. 測(cè)量電樞回路各個(gè)電阻 1) 實(shí)驗(yàn)電路圖 電阻測(cè)量電路 2) 實(shí)驗(yàn)步驟 a) 按圖接線，變阻器采用負(fù)載變阻箱，將負(fù)載變阻箱上的開關(guān)撥到“斷”位置,電阻值為最大值。轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)電樞。 b) 先合電源開關(guān)，確保給定電壓值為“0”，方可閉合主控開關(guān)。開環(huán)電路實(shí)驗(yàn)，防止直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)。 c) 緩慢調(diào)節(jié)給定電壓，整流裝置輸出電壓Ud=(30-70)%Unom，調(diào)節(jié)變阻器使I=1A,2A..，讀取電樞電流和變阻器電壓值。 d) 在給定電壓不變的條件下，調(diào)節(jié)變阻器，重新讀取電流、變阻器電壓電壓值。 e) 聯(lián)立方程，計(jì)算出電樞回路總電阻R。 f) 將給定電壓減為“0”，關(guān)斷主控開關(guān)，再關(guān)斷電源開關(guān)。 g) 短接電樞兩端，重復(fù)上述步驟，得到電樞回路電阻R’，即不包括電樞電阻的電阻。Ra=R-R’。 h) 短接電樞和電抗器兩端，重復(fù)上述步驟，即可得到平波電抗器直流電阻RL。 RL=R’-R’’。（注意此時(shí)的電流） i) Rn=R-Ra-RL。 3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及各電阻值計(jì)算 不接入勵(lì)磁： Ud Ur1 I1 Ur2 I2 80V 76.6V 0.5A 71V 1A 短接電動(dòng)機(jī)： Ud Ur1 I1 Ur2 I2 80V 77.9V 0.5A 74.0V 1A 短接電動(dòng)機(jī)和平波電抗器： Ud Ur1 I1 Ur2 I2 80V 78.8V 1.5A 80.6V 0.51A 綜合以上數(shù)據(jù)可得： 3. 測(cè)試飛輪矩GD2 1) 計(jì)算公式 2) 實(shí)驗(yàn)步驟 a) 在空載時(shí)測(cè)試空載功率P0，計(jì)算T0。 b) 逐漸增大給定電壓，使轉(zhuǎn)速達(dá)到1500rad/s，然后突然掉電（將給定信號(hào)斷開），用示波器測(cè)試dt，計(jì)算飛輪矩。 c) 給定電壓減小至“0”，再閉合給定信號(hào)開關(guān)。 d) 將轉(zhuǎn)速達(dá)到1600rad/s.重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。 e) 取其平均值為飛輪矩的測(cè)試值。 3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及飛輪矩計(jì)算 轉(zhuǎn)速r/min 電壓 電流 1000 66.5 0.31 3.9 0.273 1500 98.2 0.38 5 0.284 1600 104.4 0.38 5.5 0.293 GD2=（0.273+0.284+0.293）/3=0.283 4. 測(cè)試電勢(shì)常數(shù) 1) 測(cè)試原理 調(diào)節(jié)負(fù)載使得不同電壓時(shí)電流始終相等，此時(shí)n=Ud/ CeΦ，因此測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下的整流電壓值可聯(lián)立方程得到： 。 2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及電勢(shì)常數(shù)計(jì)算 56.2 800 89.2 1300 5. 測(cè)試晶閘管放大倍數(shù)Ks 1 2 3 4 5 0 0 17 60.7 96.4 0 0 5.67 15.18 18.08 12.98 6. 測(cè)試電流反饋系數(shù)β 0.84 1 1.2 1.01 1.2 1.45 1.2 1.2 1.21 1.2 7. 測(cè)試轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α n 300 600 900 1200 1500 1.1 2.0 3.1 4.0 5.0 0.00367 0.00333 0.00344 0.00333 0.00333 0.00338 8. 測(cè)試晶閘管整流延時(shí)Ts Ts=1.67ms 9. 測(cè)試電機(jī)電磁時(shí)間常數(shù)Tl 六、參數(shù)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分三步進(jìn)行，首先要確定轉(zhuǎn)速、電流環(huán)有關(guān)的參數(shù)等，然后設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，最后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速外環(huán)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1. 相關(guān)參數(shù)確定 首先，已知α=1/300，β=1.2。由，得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅為5.8V；由，得到電流調(diào)節(jié)器輸出限幅為5V。 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=1/mf=0.00167s；電流濾波時(shí)間常數(shù)T0i取0.002s，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)T0n取0.01s。 2. 設(shè)計(jì)電流環(huán) 實(shí)際系統(tǒng)中的電磁時(shí)間常數(shù)T1遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)來說只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即ΔE≈0。這樣，在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)作用，而將電動(dòng)勢(shì)反饋斷開。再把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，最后，Ts和T0i都比T1小得多，可以當(dāng)做小慣性環(huán)節(jié)處理，等效成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取： T∑i=Ts+T0i=0.0017+0.002=0.0037(s) 電流環(huán)最終簡(jiǎn)化成下圖： 簡(jiǎn)化后的電流環(huán) 將電流環(huán)校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為： WACRs=Kiτis+1τis 取τi=Tl，其中Tl=LR=0.211.2=0.018s。 任務(wù)要求σi<5% ，按照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，應(yīng)取KIT∑i=0.5，因此： KI=0.5T∑i=0.50.0037=135.1s-1 于是，ACR的比例系數(shù)為： Ki=KIτiRKsβi=135.1×0.018×11.213×1.2=1.7 取R0=40KΩ，可計(jì)算得到： Ri=Ki×R0=68KΩ Ci=τi/Ri=0.26μF 3. 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán) 處理控制對(duì)象傳遞函數(shù)。求得電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)： ； 由于KITi=0.5，可簡(jiǎn)化得到： ； 將給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效移到環(huán)內(nèi)，然后將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并，即得到新的時(shí)間常數(shù)： ； 為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)。擾動(dòng)作用點(diǎn)后已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此從靜態(tài)無差考慮，需要采用Ⅱ型系統(tǒng)。從動(dòng)態(tài)性能上看，考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾動(dòng)性能一致，而典型Ⅱ型系統(tǒng)具有良好抗擾動(dòng)性。所以按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： ； 可得開環(huán)傳遞函數(shù)：； 其中轉(zhuǎn)速開環(huán)增益； 按照跟隨性能和抗擾動(dòng)性能最好原則，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： KN=h+12h2T2=396.4(s-2) 由此可計(jì)算： Kn=KNτnβiCeΦTmαnR=14.64 令R0=40KΩ,可計(jì)算得到： Rn=Kn×R0=585.6KΩ Cn=τn/Rn=0.15μF 七、系統(tǒng)調(diào)試 1. 仿真調(diào)試 1) 直流電機(jī)開環(huán)仿真模型。 根據(jù)測(cè)試得到的電路參數(shù)，即R=11.2Ω，Tl=0.018s，CeΦ=0.066，CmΦ=0.63，Tm=0.289s，利用matlab中的simulink工具進(jìn)行仿真，仿真圖及結(jié)果如下： 直流電機(jī)開環(huán)模型仿真圖及結(jié)果 2) 雙閉環(huán)仿真模型 在開環(huán)模型的基礎(chǔ)上，搭建雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。仿真圖及結(jié)果如下： 雙閉環(huán)模型仿真圖及結(jié)果 2. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 1) 調(diào)試步驟 a) 電動(dòng)機(jī)開環(huán)情況下運(yùn)行，負(fù)載為1A，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分，測(cè)試電流、轉(zhuǎn)速的極性。 b) 設(shè)定調(diào)節(jié)器的限幅值。 c) 搭建雙閉環(huán)，先調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，電流環(huán)參數(shù)初始值為理論設(shè)計(jì)的參數(shù)。 d) 轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）搭建成1:1反相器。 e) 逐漸增大給定電壓，負(fù)載電流為1A，調(diào)整電流環(huán)參數(shù)，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定，不振蕩。 f) 逐漸增加負(fù)載，調(diào)整電流環(huán)參數(shù)，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定，不振蕩。 g) 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐漸改變負(fù)載電流（空載、1 A、1.5 A 、2 A 、3 A ），記錄轉(zhuǎn)速的變化，記錄此時(shí)的電流環(huán)參數(shù)。 h) 突加給定，用示波器觀察轉(zhuǎn)速和電流的超調(diào)量。 i) 調(diào)整電流環(huán)參數(shù)，使超調(diào)量滿足指標(biāo)要求。 j) 搭建雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)初始值為理論設(shè)計(jì)值。 k) 逐漸增大給定電壓，負(fù)載電流為1A，調(diào)整轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定，不振蕩。 l) 逐漸增加負(fù)載，調(diào)整轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定，不振蕩。 m) 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐漸改變負(fù)載電流，記錄轉(zhuǎn)速的變化。記錄此時(shí)的電流環(huán)參數(shù)。 n) 突加給定，示波器觀察轉(zhuǎn)速和電流超調(diào)量，調(diào)整電流環(huán)參數(shù)，使超調(diào)量滿足指標(biāo)要求。 o) 做抗干擾特性實(shí)驗(yàn)。 2) 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)展示 首先調(diào)試內(nèi)環(huán)，即電流環(huán)。將外環(huán)設(shè)置為反相器，內(nèi)環(huán)按照理論計(jì)算得到的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，R=68kΩ，C=0.26μF。得到電流能夠在一定程度下穩(wěn)定，但階躍響應(yīng)幾乎沒有超調(diào)。 依據(jù)上述分析應(yīng)當(dāng)將P調(diào)大，I調(diào)小。首先將P調(diào)大，得到參數(shù)為R=100KΩ，C=0.26μF的一組數(shù)據(jù)。觀察波形情況，得到波形階躍響應(yīng)超調(diào)仍很小。 經(jīng)過不斷地調(diào)節(jié)，得到參數(shù)為R=95KΩ，C=0.18μF的一組數(shù)據(jù)。觀察波形情況，發(fā)現(xiàn)波形迅速穩(wěn)定，階躍響應(yīng)有超調(diào)，符合調(diào)節(jié)要求。從而得到電流環(huán)的理想?yún)?shù)。 保持電流環(huán)參數(shù)不變，接下來調(diào)試轉(zhuǎn)速環(huán)。首先將轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)置為理論計(jì)算值R=586kΩ，C=0.15μF。得到電流波形振蕩較大，而且動(dòng)態(tài)超調(diào)大于5%，轉(zhuǎn)速?gòu)目蛰d啟動(dòng)到額定值時(shí)的超調(diào)量極小。 嘗試減小轉(zhuǎn)速環(huán)比例系數(shù)，并且調(diào)節(jié)R=480kΩ，電容值不變，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量稍大了一些，但電流波形振蕩依然比較嚴(yán)重。 保持R值不變，增大電容值，使C=0.2μF發(fā)現(xiàn)電流波形的振蕩更加嚴(yán)重，因此應(yīng)該減小電容值。 繼續(xù)保持R值不變，減小電容值，使C=0.1μF，此時(shí)電流波形振蕩減小，但仍然不是最理想狀態(tài)。 之后經(jīng)過不斷的調(diào)試和修改，發(fā)現(xiàn)當(dāng)R=520kΩ，C=0.09μF時(shí)波形較為理想。電流振蕩仍存在，但符合實(shí)際情況，轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)超調(diào)較理論值稍有增大，但也滿足條件，波形較為完美。 八、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 最終得到最優(yōu)參數(shù)為Ri=95kΩ，Ci=0.18μF；Rn=520 kΩ，Cn=0.09μF。其中轉(zhuǎn)速超調(diào)為8.3%，穩(wěn)態(tài)無靜差。經(jīng)過抗干擾測(cè)試，系統(tǒng)接收擾動(dòng)后均能夠很快恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，波形略有波動(dòng)，因此系統(tǒng)調(diào)試完畢，完全符合任務(wù)書要求。最終的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)波形示意圖如下所示： 九、實(shí)驗(yàn)室安全及實(shí)驗(yàn)過程注意事項(xiàng) 1. 實(shí)驗(yàn)必須按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和指導(dǎo)教師的要求進(jìn)行。 2. 實(shí)驗(yàn)室總電源的開啟應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室工作人員來控制，其他人員未經(jīng)許可不得操作。 3. 實(shí)驗(yàn)臺(tái)右上方提供三相電源。其中三相轉(zhuǎn)換開關(guān)旋鈕0\1\2\3檔依次為0\80V\110V\220V，實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求選擇電源電壓。 4. 實(shí)驗(yàn)時(shí)不得觸碰電機(jī)以免發(fā)生危險(xiǎn)。 5. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，先連線，后加電。實(shí)驗(yàn)時(shí)若需改接電路，必須先斷電，改接完后再加電。 6. 連線前，要對(duì)連接線進(jìn)行外觀檢查，并檢查線路中有無短路回路存在，避免觸電或損壞設(shè)備。 7. 加電時(shí)，應(yīng)在同組全體成員都同意且確保安全的情況下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中若用到變阻器，應(yīng)先將其阻止置于最大位再慢慢下調(diào)，而調(diào)壓器調(diào)壓應(yīng)先調(diào)到零，再慢慢上調(diào)。注意不要用手觸摸36V安全電壓以上的帶電體。 8. 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電源一定要接線牢靠，防止飛車現(xiàn)象發(fā)生。 9. 實(shí)驗(yàn)過程中，若出現(xiàn)漏電或故障，應(yīng)立即按下急停按鈕切斷電源，并向指導(dǎo)教師匯報(bào)，不得自行處理，等待事故處理結(jié)束后，再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。 10. 實(shí)驗(yàn)過程中，如出現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警聲，此時(shí)應(yīng)迅速觀察故障提示燈并按下止鈴和復(fù)位按鈕，然后斷開控制電路電源，自行檢查電路錯(cuò)誤后再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。 11. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)按要求先斷電，后拆線。斷電前調(diào)壓器先調(diào)到零。做好整理工作，實(shí)驗(yàn)設(shè)備歸回原位，清掃實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，切斷電源，填寫設(shè)備使用記錄經(jīng)指導(dǎo)老師檢查后方能離開。 十、總結(jié)和心得體會(huì) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不僅具有良好的靜特性(接近理想的“挖土機(jī)特性”)，還具有較好的動(dòng)態(tài)特性，其起動(dòng)時(shí)間短(動(dòng)態(tài)響應(yīng)快)，超調(diào)量也較小。此外，系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而轉(zhuǎn)速環(huán)能抑制被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差。利用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速，這樣可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別調(diào)整(先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)轉(zhuǎn)速環(huán))，調(diào)整方便。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，值得更加深入的學(xué)習(xí)研究。 通過實(shí)際調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)器最優(yōu)參數(shù)的選擇是很難確定的。雖然通過軟件仿真和理論計(jì)算已經(jīng)可以得出最優(yōu)參數(shù)值，但實(shí)際系統(tǒng)存在諸多不可測(cè)因素，導(dǎo)致理論參數(shù)值與實(shí)際參數(shù)值的選取存在一定差距，因此今后學(xué)習(xí)不能僅局限于理論，一定要多走進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，在實(shí)踐中進(jìn)步。但是理論基礎(chǔ)仍然是實(shí)際操作的前提，只有通過計(jì)算確定各個(gè)參數(shù)大致范圍，實(shí)際調(diào)試才不會(huì)盲目，因此擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)也很重要。 這次課程設(shè)計(jì)不僅讓我鞏固了電力電子技術(shù)和電氣傳動(dòng)課程中所學(xué)的核心知識(shí)，也通過團(tuán)隊(duì)合作完成了雙閉環(huán)典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對(duì)工程實(shí)踐的步驟和環(huán)節(jié)認(rèn)識(shí)也更為深入，受益頗多。 參考文獻(xiàn) [1]周金龍.直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)控制的研究[J].西南大學(xué).2008 [2]張鵬.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)分析及仿真研究[J].價(jià)值工程.2013(31) [3]阮毅,陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第四版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009 [4]劉春艷,聞?dòng)聒P.基于MATLAB/Simulink雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2013(3) [5]高芳.單片機(jī)在直流調(diào)速中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程 2013(21) [6]朱曉東,趙峰,李廣,王杰.基于自適應(yīng)遺傳算法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械.2007(5) [6]張鵬. 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)分析及仿真研究[J].價(jià)值工程.2013(31) [7]杜翠靜,常萬(wàn)倉(cāng).雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與仿真[J].自動(dòng)化應(yīng)用. 2011(11) [8]聶曉華,余運(yùn)俊等.龍門刨床雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)仿真研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).2014(3) [9]邵雪卷,張井崗等.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào). 2008(1) [10]鄭光,王迤冉.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化及仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真. 2013(7) 附1：實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題及解決方法 問題一：調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算數(shù)值并不理想，電流始終無超調(diào)。 解決：需要調(diào)節(jié)PI參數(shù)，在穩(wěn)定的前提下，必須要有小數(shù)值超調(diào)。 問題二：調(diào)節(jié)完內(nèi)環(huán)后，內(nèi)環(huán)不能改變，外環(huán)調(diào)節(jié)難度大，組員產(chǎn)生爭(zhēng)議。 解決：繼續(xù)調(diào)節(jié)外環(huán)參數(shù)，不能改變已經(jīng)調(diào)好的內(nèi)環(huán)參數(shù)。防止內(nèi)環(huán)不穩(wěn)定造成的破壞。 問題三：測(cè)飛輪矩時(shí)，轉(zhuǎn)速變化波形不能完全顯示在示波器中。 解決：首先調(diào)試好示波器顯示設(shè)置，使得波形完整出現(xiàn)。 問題四：雙閉環(huán)電流波形振蕩過大，改變參數(shù)沒有起到明顯效果。 解決：詢問老師后得知振蕩無法避免，但通過適當(dāng)減小轉(zhuǎn)速環(huán)的R和C值可以減小振蕩，不可改變電流環(huán)參數(shù)來減小振蕩。 附2：小組分工，個(gè)人主要工作及完成情況 組長(zhǎng)，操作員：王鵬宇 主要工作：仿真，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，連接電路，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。 副組長(zhǎng)，操作員：余德本 主要工作：仿真，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，連接電路，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。 記錄員，操作員：梁澤鵬 主要工作：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)表格，記錄所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整負(fù)載大小，調(diào)試示波器，連接電路。 安全員，操作員：古海君 主要工作：開關(guān)電源，提醒組員注意安全規(guī)范，連接電路，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。 28