1、武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1技術(shù)數(shù)據(jù)1.2技術(shù)指標(biāo)1.3技術(shù)要求L4設(shè)計(jì)內(nèi)容2轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1系統(tǒng)的靜特性直流調(diào)速系統(tǒng)3.1電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)3.2靜特性方程與特性曲線4主電路工作設(shè)備選擇4.1閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)的判斷4.2調(diào)節(jié)器的選擇與設(shè)計(jì)4.3校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5系統(tǒng)仿真5.1搭建仿真圖5.2仿真結(jié)果6電氣原理總圖小結(jié)參考文獻(xiàn)目錄131414151618武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1技術(shù)數(shù)據(jù)本次課程設(shè)計(jì)使用的是第四組數(shù)據(jù)：直流電動(dòng)機(jī)：PN=55KW,

2、UN=220V,In=287A,nN=1500r/min,Ra=0.1Q最大允許電流Idbl=1.51N,三相全控整流裝置：Ks=30,電樞回路總電阻R=0.15Q,系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s,T=0.012s濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.002s,Ton=0.012s,其他參數(shù)：Unm*=8V,Uim*=8V,Ucm=8V1. 2技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差(靜差率SW2調(diào)速范圍D>10)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)穩(wěn)定1.3技術(shù)要求(1)該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范1(D>10),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作;(2)根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，

3、并確定電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)；(3)系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖；(2)根據(jù)帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流截止負(fù)反饋的作用，；(3)通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)，得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過(guò)MATLAB來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)；(4)繪制帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖(要求計(jì)算機(jī)繪圖)；(5)整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。2轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)自動(dòng)控制原理，將

4、系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。2.1 系統(tǒng)的靜特性在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。圖1是具有轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，n為被調(diào)節(jié)量，U：電壓給定，U；和Un比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un,經(jīng)過(guò)比例放大器A,產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需要的控制電壓Uc0它們的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為:電壓比較環(huán)節(jié)比例

5、調(diào)節(jié)器測(cè)速反饋環(huán)節(jié)電力電子變換器直流電動(dòng)機(jī)圖1系統(tǒng)原理框圖Un Un UnUc Kp UnUnU do KsUeU a o IdRn 靜態(tài)特性方程為:Ce(lKoKs/Ce)Ce(lK)Ce(1K)其中K竺為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)特性表示一Ce閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可以畫出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)物柝國(guó)I.力n醫(yī)I9樂(lè)京.£九十圖2閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖142.2 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型比例放大器的傳遞函數(shù)Wa(S)Ucv/lpUn(S)電力電子變換器的傳遞函數(shù)Ws(s)Ks測(cè)度反饋的傳遞函數(shù)/Un(s)Wfn(s)病圖3系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

6、時(shí)間常數(shù)Tm表示機(jī)電慣性，時(shí)間常數(shù)表示電磁慣性。由圖可得出，轉(zhuǎn)速反饋控制的開環(huán)傳遞函數(shù)為:W（S）Un(S)ILTmS1)其中KKpKs/Ce轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:KpKsWci( s)二r*(" Ce(l K) Un(s)T-T T /T T T T 1I g 1 s m 1 s/ S' m s S 1 S S1K1K1K將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。3帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)在起、制動(dòng)過(guò)程和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，必須限制電樞電流。為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)中必須

7、裝有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。弓I入電流負(fù)反饋，可以使它不超過(guò)允許值。但這種作用只應(yīng)在啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，讓電流隨負(fù)載的增減而變化。這種當(dāng)電流達(dá)到一定程度才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋。采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋的方法，能實(shí)現(xiàn)比較方便，快捷，成本低，而且系統(tǒng)調(diào)試等簡(jiǎn)單。3. 1電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)ara)b)圖4電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)a)利用獨(dú)立電流源做比較電壓b)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓直流調(diào)速系統(tǒng)的電流截止負(fù)反饋環(huán)如圖4所示，電流反饋信號(hào)取自竄入電動(dòng)機(jī)電回路中的小阻值電阻RS,IdRs正比于電流。設(shè)Ider為臨界的截至電流，當(dāng)電流大于Ider時(shí)丁將電流反饋信

8、號(hào)加到放大器的輸入端；當(dāng)電流小于Ider時(shí)，將電流反饋切斷。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，需要引入比較電壓Ucomo圖4(&)中用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓Ucom,其大小可用電位器調(diào)節(jié)，在IdRe與Ucom之間串接一個(gè)二極管VD,當(dāng)IdReUcom時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號(hào)Ui即可加到放大器上去；當(dāng)IdRcWUcom時(shí)，二極管截止，Ui消失。圖4(b)中利用穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓Ubr作為比較電壓Ucom。電流反饋信號(hào)取自串入電動(dòng)機(jī)電樞回路中的小阻值電阻Rs,IdRe正比于電流。截止電流Ider=Ucom/Rs。圖5輸入輸出特性圖6帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖電流截止負(fù)反

9、饋環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性如圖5所示，當(dāng)輸入信號(hào)IdRc-Ucom。時(shí)、Ui=IdRc-Ucom;當(dāng)IdRoUcomW(時(shí)丁輸出Ui=0。這是一個(gè)兩段線性環(huán)節(jié)，將它畫在方框中，再和系統(tǒng)其他部分的框圖連接起來(lái)，即得到帶電流截至負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖6所示，圖中Ui表示電流反饋，Un表示轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。3.2靜特性方程與特性曲線當(dāng)IdWdcr時(shí);電流負(fù)反饋被截止，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性相同KpKsUnRidnCe(lK)Ce(lK)當(dāng)Id>|dcr后，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成KpKsUnKpKsRidR(RsldUcom)Ce(lK)Ce(lK)Ce(lK)Z

10、=KpKs(llnUcom)(RCe(l K)Kp KsFQIdCe(l K)7中C-A段特性對(duì)應(yīng)于電流負(fù)反饋被截止的情況，它是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)本身的靜態(tài)特性，顯然比較硬。圖中A圖7帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 性KP Ks Rs,因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特急劇下垂。比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好象把理 想空載轉(zhuǎn)速提高到(U n U com )令n=0,得到堵轉(zhuǎn)電流Kp Ks (Un Ueom)RKPKsRsTuu一般KpKsRs»R,因此：ncomC7(l_k5Idbl應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，一般為Id

11、bl=1.5IN=1.5X287=430.5A截止電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，取Ider=(1.T1.2)In取1.2IN=L2X287=344.4A可求得Rs=0.037Q4主電路工作設(shè)備選擇4. 1閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)的判斷電動(dòng)機(jī)參數(shù)：Pn-55KW,nN=1500rpm,UN=220V,iN=287A,Ra=0.1。主回路總電阻R-0.15,系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s,Ti=0.012so三相橋式整流電路，Ks=40。其他參數(shù):Unm*=8V,Uim*=8V,Ucm=8V,調(diào)速指標(biāo)：靜差率S=2調(diào)速范圍D>10。三相橋式電路的失控時(shí)間Ts=O.00167s。按系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求

12、得K TmT Ts) Ts：TTS0. 12 (0. 012 0. 00167) 0. 0016?0.012 0. 00167“甘82.00電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為cun 1 x Ra220 201 0.10. 128V min/rCe1500nx開環(huán)系統(tǒng)額定速降為IdR 2870 15nopq |28 r/min 336.33i7mincl為了滿足調(diào)速要求，閉環(huán)系統(tǒng)額定速降為ngrici 40020. ur/min 3. 06 r/min10 (1 0.02)因此要滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)1 108. 91nd3. 06顯然系統(tǒng)不能再滿足穩(wěn)態(tài)性能要求下運(yùn)行。由于在設(shè)計(jì)中所設(shè)定的系

13、統(tǒng)給定電壓Unm 8V,所以U nm /nx 8/15000.005V min/r放大器的放大系數(shù)為92. 907108.91Kp0.005330/0.128Ks/Ce實(shí)取Kp=93。4. 2調(diào)節(jié)器的選擇與設(shè)計(jì)在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單,也容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，使用pi調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)定精度，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)定的，如圖8所示：現(xiàn)在我們利用PI調(diào)節(jié)器來(lái)校正，原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下:W(s)(TsS 1)(TmTSJ TmS 1)其中L0.00167s,Tm0.12sT

14、i0.012s,由于禽4T因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積,Ti 0. 1065s, T2 0. 0135s閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)取為:K竺Ce94300.0050.128110.16武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為、108.981)(0.0135s(0.1065sl)(0.00167s1)三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率：19.4s，0.1065-74.1s10.0135600s10.00167編寫MATLAB?序如下:k=108.98/(0.00167*0.1065*0.0135)：z=;p=-l/0.0067-1/0.0135-1/0.1065：num,de

15、n=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);grid所得伯德圖如下圖所示1武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書1BodeDiagram圖9系統(tǒng)校正前伯德圖由圖可知系統(tǒng)不穩(wěn)定。使用PI調(diào)節(jié)器,在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加的部分傳遞函KPi s 1數(shù)應(yīng)為:1KP sW7、K-Pi（S）KP由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù)因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率KpiK過(guò)大，截止頻率過(guò)高，應(yīng)該設(shè)法把他們壓設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率W處,令Kpi匚使校正裝置的比例微分項(xiàng)Kpis1與原始系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大慣性環(huán)節(jié)ILS1對(duì)消，從而選定用其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的

16、穩(wěn)定裕度，它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以2°dB/cT的斜率穿越OdB線，將原始的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性壓低，使校正以后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性的截止頻率, 1Wc?T2Wc2 LiO這樣，在 處，應(yīng)有根據(jù)以上兩點(diǎn)，校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)特性就可以確定下來(lái)了：丁11取KPi=0.1065s,為了使WC274.1S取Wc250s、在原始系統(tǒng)的伯德圖查得相應(yīng)得Li=36dB,因而L2=-36dB。從校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)特性看出：KL2201g(J)=-36,Kp93Kni因此KPi1.474,Ti/Kpi0.072S于是PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：W二-0.072S最后選擇PI調(diào)節(jié)器的阻容參數(shù)，選取Ro

17、40K,則RiKPR1.47440K58.96K,取R159K3Ci/Ro(0.072/40)10FL8F,取G1.8F校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:W(S)108.980.0725(0.0135S1)(0.00167S1)編寫Matlab程序如卜：num=1513.6den=E0.000022545,1.01517,1,0bode(num,den);margin(num,den);grid所得伯德圖如下圖所示:BodeDiagramFrecwericv(rad/sec)圖10校正后系統(tǒng)伯德圖由上圖可知，校正后系統(tǒng)的幅值裕度和穩(wěn)定裕度都滿足穩(wěn)定的條件。綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的類型和參數(shù)選擇是正確的

18、，即選為PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)為Ro40K,Ri58K,G2F。4.3校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。圖11校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5系統(tǒng)仿真5.1搭建仿真圖截止電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)使用Switch開關(guān)，開關(guān)具有選擇功能，設(shè)置門檻電壓等于0,step2輸出也為0,當(dāng)輸入大于0時(shí)，即上開關(guān)，當(dāng)輸入小于0時(shí);輸出下開關(guān)，如下圖所示,能實(shí)現(xiàn)電流截止功能。Gain3圖12系統(tǒng)仿真圖5. 2仿真結(jié)果轉(zhuǎn)速和電流的仿真結(jié)果如下:圖12轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果圖13電流仿真結(jié)果0,效有圖可看出，轉(zhuǎn)速的響應(yīng)比較迅速，穩(wěn)定后加入負(fù)載，轉(zhuǎn)速先變小再迅速恢復(fù)穩(wěn)定。電流受到截止作用，開始時(shí)維持較大數(shù)值使得轉(zhuǎn)速迅速增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速快要達(dá)到穩(wěn)定時(shí)電流急劇下降直到果較為理想。6電氣原理總圖使用Protel軟件繪制電氣原理總圖，如下:i-wTtt他TT.q-|IrarII?)msiistItnc-LBtcc右一IDIQPBT世叱m伴JJ*J世LHI.T冶r1Tli一u工rilLvV-JImm12fl1M