双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计.docx

控制系统设计实习报告课程名称控制技术设计名称双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计学号学生姓名所在专业所在班级指导教师成绩教师签字年 月 日实习设计时间： 年 月 日 至 年 月 日控制系统设计实习报告一、实习目的1通过对实际综合实验的培养，加强学生的实际动手能力。2学习仿真软件Matlab的应用。3熟悉相关实验装置。4加深对电力拖动自动控制系统这一课程的认识，培养学生综合专业知识的能力。5. 了解双闭环不可逆直流调速系统的原理,组成及各主要单元部件的原理.二、设计要求1电流超调量%5% 2过渡过程尽可能3.中频宽h=5三、双闭环直流调速系统的工作原理1.双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1 调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。2.双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2 转速、电流双闭环直流调速系统主接线图的重要组成版块接线详图：给定电路图：速度变换器电路图：电流反馈FBC电路图：转速调速ASR电路图：电流调节ACR电路图：零速封锁DZS电路图：3双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。图3Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。4双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。图4：U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E5. 双闭环直流调速系统两个调节器的作用1） 转速调节器的作用使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2)电流调节器的作用在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。四、仿真设计设计后的数学模型结构图如下：由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。根据例题修改的gain gain1 step step1 仿真后波形六、仿真结果分析图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。1.电机转速曲线在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。2.电机电流曲线直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。七，实验台调试（1）断开主电路，按图2接好线路。示波器接Y1接Ui,Y2接-Un并反相。（2） ASR、ACR基本参数： ASR、ACR接为PI，积分电容分别4.7 10F，2.24.7F； 增益电阻RP3均左旋到底，使增益最小。积分电阻RP4均调至小值。（3） ASR、ACR输出饱和电压调节 加给定Un*=2V，调ASR的RP2使其输出负饱和电压为-4V。调ACR的RP1使其输出正饱和电压为4V。加给定Un*=-2V，调ASR的RP1使欺输出正饱和电压为4V>0。调ACR的RP2使其输出负饱和电压为-4V<0。3.2试车与反馈调试：（1）Uct直接接给定+Ug并先降0。 （2）接通主电路。缓升给定启动电机至1400rpm。调FBS转速反馈电路的RP使Un=4V。给定降0。（3）断开直流机励磁开关K不让电机起动。缓升给定Ug，调Id=0.5A。调FBC电流反馈电路的RP1使Ui=4V。（4）给定降回0，断主电路。恢复Uct接ACR输出。3.3电流环调节（1）断开直流机励磁开关K，断主电路。（2）升给定+Un*=+2V, 测应有-Ui*=-4V。给定用开关回0。（3）接通主电路。接通给定开关,观察电流环Id阶跃响应波形。可调ACR的积分电阻RP4,使Id响应上升快,超调和振荡较小。（4）记录电流环阶跃响应波形。（5）恢复：给定降0,断主电路,接通直流机励磁开关K。 34双闭环起动特性实验:（1）接通主电路。合K2，交流发电机加励磁。缓升给定+Un*，启动电机至1445rpm，给定用开关回0。（2）接通给定开关，加阶跃Un*使电机恒流起动，用示波器观察纪录电流、转速波形。纪录稳态数据。（可调ASR的积分电阻RP4,使n响应上升快,超调和振荡较小）3.5双闭环抗扰实验通/断交流发电机励磁，改变直流机负载，观察纪录加减载扰动过程中，电流与转速的抗扰动态波形与稳态数据4 实验结果（1）电流环阶跃响应（2）起动动态波形与稳态数据+Un*(V)Un(V)n(rpm)-Ui*(V)Ui(V)Id(V)（3）抗扰动态波形与稳态数据Id(V)n(rpm)八、设计结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真波形所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。九、总结与体会通过本次实习，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的工艺，进行对象的分析，设计总体方案，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，确定最终方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。本次设计的时间比较仓促，但我在王荣辉老师的指导下和同学们得帮助下，克服了很多困难圆满完成这次设计。通过这个设计我同时也体会到了团队合作的乐趣。但是，通过设计我也明白一点，我们上课所学到的知识在做本设计时是远远的不够的，只是设计的一点皮毛而已。平常我们应该扩大自己得知识面。在设计完成后进行仿真，我们利用MATLAB仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件、参数间不相匹配和有错的地方，反复修改，直到符合设计要求。经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我们组都团结协作，互相帮助，并且得到老师的关怀。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。这次课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。九、参考文献1王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.2张广溢，等.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.3王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.4导向科技.Protel DXP电子电路设计培训教程M.北京：人民邮电大学出版社，2003.5周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中国电力出版社，2004.6陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京： 机械工业出版社. 2005陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版） 机械工业出版社