課程設(shè)計(jì)--- 雙閉環(huán)v-m調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　信息科學(xué)與工程學(xué)院</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　二○○六 ～二○○七 學(xué)年第 二 學(xué)期</p><p>　　課程名稱： 雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　班 級(jí)： 自動(dòng)化043班

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　二○○七 年 六 月</p><p><b>　　一、

3、 設(shè)計(jì)題目：</b></p><p>　　雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)中主電路，電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　二、 已知條件及控制對(duì)象的基本參數(shù)：</p><p>　?。?）已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：=3kW，=220V，=17.5A，=1500r/min，電樞繞組電阻=1.25，=3.53。采用三相全控橋式電路，整流裝置內(nèi)阻=1.3。平波電抗

4、器電阻=0.3。整流回路總電感L=200mH。</p><p>　?。?）這里暫不考慮穩(wěn)定性問題，設(shè)ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，ASR限幅輸出=－8V，ACR限幅輸出=8V，最大給定=10V，調(diào)速范圍D=20，靜差率s=10%，堵轉(zhuǎn)電流 =2.1，臨界截止電流 =2。</p><p>　　（3）設(shè)計(jì)指標(biāo)：電流超調(diào)量δ%5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δ10%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的

5、過渡過程時(shí)間 t0.5。</p><p><b>　　三、 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　?。?）分別用工程設(shè)計(jì)方法和西門子調(diào)節(jié)器最佳整定法進(jìn)行設(shè)計(jì)，決定ASR和ACR結(jié)構(gòu)并選擇參數(shù)。</p><p>　　（2）對(duì)上述兩種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析比較。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)過程中應(yīng)畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖

6、及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　四、 設(shè)計(jì)方法及步驟：</p><p>　　Ⅰ 用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) </p><p>　?。?）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：</p><p>　　按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p>

7、;<p><b>　?。?）電流環(huán)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡化：</p><p><b>　　確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p><b>　　根據(jù)已知數(shù)據(jù)得</b></p><p>　　T==s = 0.162s</p>

8、<p>　　三相橋式晶閘管整流電路的平均后時(shí)間，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，可得電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為</p><p>　　+= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s</p><p><b>　　選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　雖然 == 18.9 > 10 ，但由于對(duì)電流超調(diào)量有較嚴(yán)格要求，而抗擾

9、指標(biāo)卻沒有具體要求，因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　積分時(shí)間常數(shù) = = 0.07 s</p><p>　　為滿足δ%5%要求，取電流環(huán)開環(huán)增益為</p><p>　　== = 135.14 </

10、p><p>　　電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為</p><p><b>　　= =135.14</b></p><p>　　取調(diào)節(jié)器的輸入電阻=20k，則電流調(diào)節(jié)器的各參數(shù)為</p><p>　　==3.2720k=60.54 k，取62 k</p><p>　　= ==1.13，取1</p>&

11、lt;p>　　===0.4，取0.47</p><p>　　根據(jù)上述參數(shù)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為</p><p><b>　　δ%=4.3%5%</b></p><p><b>　　故能滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p><b>　　校驗(yàn)近似條件</b></p>

12、;<p>　　電流環(huán)截至頻率= =135.14，晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為 ,</p><p><b>　　現(xiàn)</b></p><p><b>　　=196.1></b></p><p><b>　　故該近似條件滿足。</b></p><p>　　忽略反電

13、動(dòng)勢影響的近似條件為 ，現(xiàn)</p><p><b>　　==28.2<</b></p><p><b>　　故該近似條件滿足。</b></p><p>　　小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 ，現(xiàn)</p><p><b>　　==180.8></b></p>&

14、lt;p><b>　　故該近似條件滿足。</b></p><p><b>　　（3）轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡化：</p><p><b>　　確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　因 = ，故轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為</p>

15、<p>　　==Vmin/r=0.0067 Vmin/r</p><p>　　電流環(huán)的等級(jí)時(shí)間常數(shù)為 2=0.0074s。取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) =0.01s，轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)為</p><p>　　=0.0074s+0.01s=0.0174s</p><p><b>　　選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p

16、>　　設(shè)計(jì)要求中雖然允許系統(tǒng)有靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如采用比例調(diào)節(jié)器，將很難滿足穩(wěn)定性要求。為此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用近似PI調(diào)節(jié)器，按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？勺C明，當(dāng)近似PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大時(shí)，其傳遞函數(shù)可表示為</p><p><b>　　選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5

17、，求出轉(zhuǎn)速超調(diào)量δ%和過渡過程時(shí)間 。如果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，則可根據(jù)所選的h值計(jì)算有關(guān)參數(shù)；否則要改變h值重新進(jìn)行計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。</p><p>　　當(dāng)h=5時(shí)，ASR退飽和超調(diào)量為</p><p><b>　　δ%=</b></p><p>　　式中，為電動(dòng)機(jī)允許過載系數(shù)，按題意 =2.1；z為負(fù)載系數(shù)，設(shè)為理想空載起動(dòng)，則z

18、=0; 為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降，= ；是基準(zhǔn)值為時(shí)的超調(diào)量相對(duì)值，而=。</p><p>　　當(dāng)h=5時(shí)，=81.2%，故起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，即 = 時(shí)，退飽和超調(diào)量為</p><p><b>　　δ=9.2%10%</b></p><p><b>　　滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p&g

19、t;　　空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程中，由于在大部分時(shí)間內(nèi)ASR飽和而不起調(diào)節(jié)作用，使過渡過程時(shí)間延長， 可表示為</p><p><b>　　=+</b></p><p>　　其中為恒流升速時(shí)間，是退飽和超調(diào)過渡過程時(shí)間。</p><p><b>　　==s=0.31s</b></p><p>

20、　　退飽和超調(diào)過渡過程時(shí)間等于動(dòng)態(tài)速升的回復(fù)時(shí)間。當(dāng)h=5時(shí)=8.8=0.153s。但恢復(fù)時(shí)間是按誤差為5%計(jì)算的。這里=2TN= =170.4r/min，故 5%= 8.5r/min。這就是說，轉(zhuǎn)速進(jìn)入8.5r/min 的恢復(fù)時(shí)間為 0.153s。但這里的恢復(fù)時(shí)間應(yīng)按轉(zhuǎn)速進(jìn)入5%來計(jì)算，由于5% =75 r/min 8.5 r/min，顯然所需時(shí)間將遠(yuǎn)小于0.153s，故可忽略不計(jì)，于是=0.31s?？梢姡軡M足設(shè)計(jì)要求。這樣，就可根

21、據(jù)h=5選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。</p><p><b>　　ASR的時(shí)間常數(shù)為</b></p><p>　　=h=50.0174s=0.087s</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為</b></p><p><b>　　==</b></p><p&g

22、t;<b>　　ASR比例系數(shù)為</b></p><p><b>　　==8.4</b></p><p>　　如去調(diào)節(jié)器輸入電阻 =20k，則</p><p>　　==8.420 k=168k，取160 k</p><p>　　===0.54,取0.47</p><p>&l

23、t;b>　　===2，取2</b></p><p><b>　　校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　===396.40.087 =34.5</p><p>　　電流閉環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，現(xiàn)</p><

24、;p><b>　　==54.1></b></p><p><b>　　故滿足該簡化條件。</b></p><p>　　小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 ，現(xiàn)</p><p><b>　　==38.75></b></p><p><b>　　故滿足該簡化條件

25、</b></p><p><b>　　5）易犯錯(cuò)誤</b></p><p>　　由例2-2知，此系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，ASR似乎可用比例調(diào)節(jié)器并按典型I型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)為</p><p><b>　　=</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，轉(zhuǎn)速超調(diào)量要求δ10%

26、，據(jù)此可選擇參數(shù)為</p><p><b>　　=0.69</b></p><p><b>　　于是</b></p><p><b>　　=9.7</b></p><p>　　上述設(shè)計(jì)過程的錯(cuò)誤是：ASR采用比例調(diào)節(jié)器，當(dāng)其放大系數(shù)為9.7時(shí)，雖可滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求，但卻無法滿

27、足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求。由前述計(jì)算可知，發(fā)展穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求時(shí)KASR=76.3，即ASR采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)無法解決動(dòng)、穩(wěn)態(tài)之間的矛盾，只有當(dāng)ASR采用PI調(diào)節(jié)器（或近似PI調(diào)節(jié)器）后，才能較好地解決這個(gè)矛盾。為此，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求較高時(shí)，即使是有差系統(tǒng)，ASR仍應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，并按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　另外，計(jì)算空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時(shí)間時(shí)，若查教材表2-6，當(dāng)h=5時(shí)，得</p&g

28、t;<p>　　=9.55=9.550.174 s = 0.17 s</p><p>　　是不對(duì)的，此錯(cuò)誤在于：教材表2-6所列數(shù)據(jù)是系統(tǒng)處于線性狀態(tài)下得到的跟隨性指標(biāo)，它只適用與線性系統(tǒng)。而實(shí)際系統(tǒng)在突加給定后，由于ASR飽和不再起調(diào)節(jié)作用，因此其過渡過程時(shí)間 將延長，其值主要由恒流升速的過程時(shí)間所決定。</p><p>　?、颉∮梦鏖T子調(diào)節(jié)器最佳整定法設(shè)計(jì)</p&

29、gt;<p>　?。?）電流環(huán)的動(dòng)態(tài)校正</p><p>　　雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如教材中圖2-27所示。對(duì)于這種調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性群所組成的系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器可以采用PI調(diào)節(jié)器，即</p><p>　　如果調(diào)節(jié)器按下列調(diào)節(jié)選擇參數(shù)，電流環(huán)即將被校正為二階最佳閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p><b>　　所得調(diào)節(jié)器參數(shù)

30、為</b></p><p><b>　　==0.07</b></p><p>　　== s = 0.021 s</p><p>　　因=20k，故==1.05，取1，于是= =70 ，取68。這時(shí)電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：最大超調(diào)量</p><p><b>　　%=4%，</b><

31、;/p><p><b>　　上升時(shí)間</b></p><p>　　=4.7=4.7× 0.0037s=0.017。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)校正</p><p>　　將電流環(huán)與上述的工程設(shè)計(jì)方法同樣處理，可畫出轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)圖如教材中圖2-33所示。對(duì)于這種調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性群組成的

32、系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可以采用PI調(diào)節(jié)器，即</p><p>　　如果調(diào)節(jié)器按下述條件選擇參數(shù)，系統(tǒng)即被校正為三階最佳閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p><b>　　==</b></p><p><b>　　所得調(diào)節(jié)器參數(shù)為</b></p><p>　　==4×0.0174s=0.0696s</

33、p><p><b>　　==7</b></p><p>　　因=20k，故==7×20 k=140 k，取=130 k，則==0.54F，取=0.47F。給定濾波器的時(shí)間常數(shù)為</p><p>　　=4=0.0696s</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用上述參數(shù)，并在輸入端加給定濾波器后，系統(tǒng)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為

34、：轉(zhuǎn)速最大超調(diào)量δ=8.1%，過渡過程時(shí)間=16.4=16.4×0.0174s=0.265s。</p><p>　?、髢煞N設(shè)計(jì)方法的分析比較</p><p>　?。?）西門子設(shè)計(jì)方法中的二階最佳系統(tǒng)，與工程設(shè)計(jì)方法中的典型I型系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當(dāng)于典型I型系統(tǒng)中選 的情況。</p><p>　?。?）西門子設(shè)計(jì)方法中三階最佳系統(tǒng)與

35、工程設(shè)計(jì)方法中的典型II型系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當(dāng)于典型II型系統(tǒng)中選中頻寬h=4的情況。</p><p>　?。?）西門子設(shè)計(jì)方法的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速超調(diào)量計(jì)算未考慮ASR飽和，因此給出的δ 過大；再采用較大時(shí)間常數(shù)的給定濾波，并不能減小δ，因此只要ASR飽和，此濾波環(huán)節(jié)對(duì)抑制超調(diào)就無作用。此外，西門子方法沒有給出參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的變化趨勢，這就給現(xiàn)場調(diào)試帶來一定困難。</

36、p><p><b>　　五、 設(shè)計(jì)心得：</b></p><p>　　這次電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)歷時(shí)一個(gè)星期，在整整一個(gè)星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。 </p><p>　　1.學(xué)習(xí)是沒有止境的。在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)之前，我一直以為自己的理論

37、知識(shí)學(xué)的很好了。但是在完成這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我總是被一些小的，細(xì)的問題擋住前進(jìn)的步伐，讓我總是為了解決一個(gè)小問題而花費(fèi)很長的時(shí)間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道。其實(shí)在計(jì)算設(shè)計(jì)的時(shí)候，基礎(chǔ)是一個(gè)不可缺少的知識(shí)，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。</p><p>　　2.多和同學(xué)討論。我們在做課程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問題，這樣，我們可以盡可能

38、的統(tǒng)一思想，這樣就不會(huì)使自己在做的過程中沒有方向，并且這樣也是為了方便最后程序和在一起。討論不僅是一些思想的問題，他還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使自己的人處理問題要快一些。</p><p>　　3.多改變自己設(shè)計(jì)的方法。在設(shè)計(jì)的過程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。</p><p>　　六、 參考資料 ：</p><p>

39、;　　[1]黃俊.電力電子變流技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[2]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5 279～283[3]劉競成.交流調(diào)速系統(tǒng).上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.3 61～64[4]交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[5]李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng).北京:電子工業(yè)出版社,2003.3</p><p>　　電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</p><p>

40、　　信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)二○○六 ～二○○七 學(xué)年第 二 學(xué)期課程名稱： 雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 班 級(jí)： 自動(dòng)化043班 學(xué) 號(hào)： 200404134069 姓 名： 黃 芳 指導(dǎo)教師： 潘 煉 二○○七 年 六 月一、 設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)中主電路，電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。二、 已知條件及控制對(duì)象的基本參數(shù)：（1）已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為： =3kW， =220V， =17.5A， =150

41、0r/min，電樞繞組電阻 =1.25 ， =3.53 。采用三相全控橋式電路，整流裝置內(nèi)阻 =1.3 。平波電抗器電阻 =0.3 。整流回路總電感L=200mH。（2）這里暫不考慮穩(wěn)定性問題，設(shè)ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，ASR限幅輸出 =－8V，ACR限幅輸出 =8V，最大給定 =10V，調(diào)速范圍D=20，靜差率s=10%，堵轉(zhuǎn)電流 =2.1 ，臨界截止電流 =2 。（3）設(shè)計(jì)指標(biāo)：電流超調(diào)量δ % 5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速