PWM直流可逆双闭环调速系统.docx

机械工程学院课程设计报告课程：运动控制系统设计实践题目：PWM直流可逆双闭环调速系统目录目录11一双闭环直流调速系统的工作原理11.1 双闭环直流调速系统的介绍11.2 双闭环直流调速系统的组成21.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性31.4 双闭环直流调速系统的数学模型51.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型51.4.2 起动过程分析6二调节器的工程设计92.1调节器的设计原则92.2I型系统与II型系统的性能比较102.3 电流调节器的设计112.3.1 结构框图的化简和结构的选择112.3.2 时间常数的计算122.3.3 3.3选择电流调节器的结构132.3.4 计算电流调节器的参数132.3.5 3.5校验近似条件142.4 转速调节器的设计152. 4.1转速环结构框图的化简153. 4.2确定时间常数164. 4.3选择转速调节器结构165. 4.4计算转速调节器参数176. 4.5检验近似条件17三Simulink仿真181双闭环直流调速系统的仿真设计18四总结19PWM直流可逆双闭环调速系统一双闭环直流调速系统的工作原理1.1 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-（八）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。（八）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。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。1.2 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图中UX必一转速给定电压和转速反馈电压；U：、口一电流给定电压和电流反馈电压；ASR一转速调节器；ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE一电力电子变换器1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性图3：双闭环直流调速系统的稳态结构图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调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和一一输出达到限幅值;不饱和一一输出未达到限幅值。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，Pl作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。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。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。1 .转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，Un-Un=a×n=axno(I-I)Uf=Ui=BXld(1.2)U4由式(I-I)可得：n二a=。从而得到静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，Ui<“”可知/这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=O一直延续到，=/血。而/血，一般都是大于额定电流般的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2 .转速调节器饱和U'这时，ASR输出达到限幅值"，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：U*Id=ld,n(1-3)其中，最大电流热，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于欣。的情况，因为如果小。，则S)ASR将退出饱和状态。图4双闭环直流调速系统的静特性曲线1.4双闭环直流调速系统的数学模型1.4. 1双闭环直流调速系统的动态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5所示。图中WASR(三)和WACR(三)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5：双闭环直流调速系统的动态结构框图1.4.2起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压"和由静止状态起动时,转速调节器输出电压“加、电流调节器输出电压U*、可控整流器输出电压U"、电动机电枢电流/。和转速及的动态响应波形过程如图2-8所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成I、II、In三个阶段。图6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压UM时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动(n=0),转速负反馈电压以二°,这时，%=U1.U加很大，使ASR的输出突增为“典，ACR的输出为Um,可控整流器的输出为0而，使电枢电流/“迅速增加。当增加到这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：/“。(负载电流)时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限幅值”加，从而使电枢电流达到所对应的最大值勤，(在这过程中心，Ud的下降是由于电流负反馈所引起的)，到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即UfiimXUJi=lam(1-4)式中，一一电流反馈系数。速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值心，开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流/保持恒定值即系统的加速度血/力为恒值，所以转速n按线性规律上升，由Ud=1.gRE+C*知,Ud也线性增加，这就要求凡也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值,ASR的给定电压U"与转速负反馈电压力相平衡,输入偏差等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值”纲，所以电动机仍在以最大电流/下加速，使转速超调。超调后，“例>°,AU"<°,使ASR退出饱和，其输出电压(也就是ACR的给定电压)4,才从限幅值降下来，力与力也随之降了下来，但是，由于,。仍大于负载电流乙，在开始一段时间内转速仍继续上升。到,"乙时，电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定(如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定)。在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使,。尽快地跟随ASR输出“鼾的变化。稳态时，转速等于给定值%，电枢电流乙等于负载电流，ASR和ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为Um=UIt=%(5)ACR的输出电压为ca,÷KS(1-6)由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。（2）转速超调：当转速调节器ASR采用Pl调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程I、II两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。二调节器的工程设计2.1 调节器的设计原则为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：Io保证转速在设定后尽快达到稳速状态；2o保证最优的稳定时间；3o减小转速超调量。为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：1 .概念清楚、易懂；2 .计算公式简明、好记；3 .不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；4 .能考