電機控制課程設計報告

1、<p><b>　　電機控制課程設計</b></p><p>　　課 程 名 稱 電機控制技術 </p><p>　　院（系、部、中心） 電力工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p

2、><p>　　班 級 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指 導 教 師

3、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　任務書……………………………………………. 3</p><p>　　二、 直流開環(huán)系統……………………………………. 7</p><p>　　三、 直流轉速單閉環(huán)調速系統………………………..9</p><p&

4、gt;　　四、 直流雙閉環(huán)控制系統……………………………..14</p><p>　　五、 心得體會…………………………………………..19</p><p>　　六、 參考文獻…………………………………………..19</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課 程 名 稱

5、電機控制技術 </p><p>　　院（系、部、中心） 電力工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級 </p><p>　　起 止 日 期 2010-5-24 —— 6

6、-4 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p>　　一、直流開環(huán)系統動態(tài)模型仿真研究</p><p>　　1..1 開環(huán)系統直流系統的介紹</p><p>　　在開環(huán)調速系統中，控制電壓與輸出轉速之間只有順向作用而無反相聯系，即控制是單方向進行的，輸出轉速并不影響控制電壓，

7、控制電壓直接有給定電壓產生。如果生產機械對靜差率要求不高，開環(huán)調速系統也能實現一定范圍內的無級調速，而開環(huán)調速系統結構簡單。但是，在實際中許多需求無級調速的生產機械常常對靜差率提出較嚴格的要求，不能允許很大的靜差率</p><p>　　1.2開環(huán)調速系統的結構原理圖</p><p>　　1.忽略各種非線性因素，假定系統中各環(huán)節(jié)的輸入-輸出關系都是線性的，或者只取其線性工作段；</p&

8、gt;<p>　　2.忽略控制電源和電位器的內阻。</p><p>　　開環(huán)調速系統中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：</p><p>　　電力電子變速器 Ud0=KsUc</p><p>　　直流電動機 n=(Ud0-IdR)/Ce</p><p>　　有上兩式得到開環(huán)調系統的機械特性為<

9、;/p><p><b>　　=</b></p><p>　　開環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖1.1所示</p><p>　　圖1.1開環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　1.3直流開環(huán)系統仿真各環(huán)節(jié)參數 </p><p><b>　?。?）給定參數</b></p>

10、<p>　　直流電動機：額定電壓 Un=220V，額定電流 I dn=55A，額定轉n=1000r/min，電動機電動系數Ce=0.192V*min/r。</p><p>　　假定晶閘管整流裝置輸出電流可逆，裝置的放大系數Ks=44，滯后時間Ts=0.00167s。</p><p>　　電樞回路總電阻R=1.0歐姆，電樞回路電磁時間常數Tl=0.00167s，電力拖動系統機間

11、常數Tm=0.075s。</p><p>　　轉速反饋系數α=0.01V.min/r</p><p>　　對應額定轉速時的給定電壓U*n=10V。</p><p><b>　?。?）計算參數</b></p><p>　　= = </p><p><b>　?。?

12、）結構框圖</b></p><p><b>　?。?）仿真圖</b></p><p>　　1.4直流開環(huán)系統的分析</p><p>　　開環(huán)調節(jié)系統的優(yōu)點是結構簡單生產成本低，但靜差率大。</p><p>　　二．直流單閉環(huán)系統動態(tài)模型仿真研究</p><p>　　2..1單閉環(huán)直流系

13、統的介紹</p><p>　　為了提高直流調速系統的動靜態(tài)性能指標，通常采用閉環(huán)控制系統（包括單閉環(huán)系統和多閉環(huán)系統）。對調速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統。按反饋的方式不同分轉速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統中，轉速單閉環(huán)使用較多。</p><p>　　2.2轉速負反饋單閉環(huán)系統的組成</p><p>　　在本裝置中，轉速單閉環(huán)系統是將反映轉速的電壓

14、信號，經“速度變換”后接到“速度調節(jié)器”的輸入端，與給定的電壓相比較經放大后，得到移相控制電壓，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構成速度負反饋閉環(huán)系統。點擊的轉速隨給定電壓變化，電機最高轉速由速度調節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調節(jié)器采用P調節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調解器換成PI調節(jié)。這是當給定恒定時，閉環(huán)系統對速度變換器抑制作用，當電機

15、負載或電源電壓波動時，電機的轉速能穩(wěn)定在一定的范圍內變化。</p><p>　　圖2.1 采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統</p><p>　　2.3轉速負反饋單閉環(huán)系統穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數用自控原理的結構圖表示，就得到了系統的穩(wěn)態(tài)結構圖。</p><p>　　圖2.2 轉速負反饋閉環(huán)調速系統穩(wěn)態(tài)結

16、構圖</p><p><b>　　電壓比較環(huán)節(jié)： </b></p><p><b>　　放大器： </b></p><p>　　晶閘管整流與觸發(fā)裝置： </p><p>　　V—M系統開環(huán)機械特性： </p><p><b>　　測速發(fā)電機： </b>&

17、lt;/p><p>　　——放大器的電壓放大系數；</p><p>　　——晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數；</p><p>　　α——測速反饋系數，單位為Vmin/r;</p><p>　　因此轉速負反饋閉環(huán)調速系統的靜特性方程式</p><p>　　式中 為閉環(huán)系統的開環(huán)放大系數，這里是以 電動機環(huán)節(jié)的放大系數。

18、</p><p>　　2.4轉速負反饋單閉環(huán)系統真各環(huán)節(jié)參數</p><p><b>　　1給定參數</b></p><p>　　直流電動機：額定電壓 Un=220V，額定電流 I dn=55A，額定轉n=1000r/min，電動機電動系數Ce=0.192V*min/r。</p><p>　　假定晶閘管整流裝置輸出電流可

19、逆，裝置的放大系數Ks=44，滯后時間常數Ts=0.00167s。</p><p>　　電樞回路總電阻R=1.0歐姆，電樞回路電磁時間常數Tl=0.00167s，電力拖動系統機電時間常數Tm=0.075s。</p><p>　　轉速反饋系數α=0.01V.min/r</p><p>　　對應額定轉速時的給定電壓U*n=10V。</p><p>

20、;<b>　?。?）計算參數</b></p><p>　　= = </p><p>　　= α=0.01V.min/r</p><p>　　Kp=0.56 1/t=11.43</p><p><b>　　其中：</b>&l

21、t;/p><p>　　1．忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都是線性的；</p><p>　　2．假定只工作在V——M系統開環(huán)機械特性的連續(xù)段；</p><p>　　3．忽略直流電源和電位器的內阻。</p><p><b>　　（3）結構框圖</b></p><p>　　Kp=0.56 1/

22、t=11.43</p><p><b>　　仿真圖</b></p><p>　　2．5單閉環(huán)直流調速系統分析</p><p>　　單閉環(huán)環(huán)系統能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變整流電壓，而開環(huán)系統不能自動調節(jié)。以負載增大為例，閉環(huán)調速系統的自動調節(jié)過程如下：</p><p>　

23、　具有比例調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統的基本性質，強調指出：有靜差系統的概念。這種系統是以存在偏差為前提的，反饋環(huán)節(jié)只是檢測偏差，減小偏差，而不能消除偏差，因此它是有靜差調速系統。</p><p>　　直流雙閉環(huán)系統動態(tài)模型仿真研究</p><p>　　3.1.雙閉環(huán)直流調速系統的介紹</p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。它

24、具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。反饋閉環(huán)控制系統具有良好的抗擾性能，它對被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統可以在保證系統穩(wěn)定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態(tài)性能要求較高，如突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統中不能完全按照需求來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。</p><p>　　3.2雙閉環(huán)直流調速系統的

25、組成</p><p>　　為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，兩者之間實行串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出當做電流調節(jié)器的輸入，在用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。</p><p>　　該雙閉環(huán)調速系統的兩個調節(jié)器ASR和A

26、CR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統的穩(wěn)態(tài)精度，使系統在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩(wěn)定性；作為控制其實有能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調速器便能保證系統獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。</p><p>　　3.3雙臂環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖和動態(tài)結構圖</p><p>　　首先要畫出雙臂環(huán)直流調速系統的

27、穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　圖3.2 雙閉環(huán)調速系統穩(wěn)態(tài)結構</p><p>　　雙閉環(huán)控制系統數學模型的主要形式仍然以傳遞函數或零點模型為基礎的系統動態(tài)結構圖。雙臂環(huán)直流調速系統的動態(tài)結構圖如圖3.3所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。</p><p>　　圖3.3 雙閉環(huán)調速

28、系統動態(tài)結構圖</p><p>　　3.4轉速調節(jié)器的設計</p><p><b>　?。?）給定參數</b></p><p>　　直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V*min/r，</p><p>　　允許過載倍數 1.5倍</p><p>　　晶閘管裝置放大系

29、數：Ks=40</p><p>　　電樞回路總電阻：R=0.5歐姆</p><p>　　時間常數：Tl=0.03s，Tm=0.18s</p><p>　　電流反饋系數：0.05V/A</p><p>　　轉速反饋系數：0.007V*min/r</p><p><b>　　轉速超調量：</b><

30、;/p><p><b>　　（2）計算參數</b></p><p>　　= =</p><p>　　= α=</p><p>　　β= Kp=11.7</p><p>　　1/t=134.48 </p>&

31、lt;p>　　ASR采用PI調節(jié)器傳遞函數為 </p><p>　　調速系統的開環(huán)傳遞函數 </p><p><b>　　轉速開環(huán)增益</b></p><p><b>　　（3）結構圖</b></p><p><b>　?。?）仿真圖</b></p>

32、;<p>　　3.5雙閉環(huán)直流調速系統的啟動過程分析</p><p>　　設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)性能時，有必要首先探究它的起動過程。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，所以在動態(tài)過程中分電流上升階段、恒流升速階段及轉速調節(jié)階段。雙閉環(huán)直流調速啟動過程有三個特點：</p><p&g

33、t;<b>　　飽和非線性控制</b></p><p>　　當ASR飽和時，轉速換開環(huán)，系統表現為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統；當ASR 不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統是一個無靜差系統，而電流內環(huán)則表現為電流隨動系統。</p><p><b>　　2.準時間最優(yōu)控制</b></p><p>　　在恒流升速階段，系統電流為允許最

34、大值，并保持恒定，是系統最快起動，即在電流受限制條件下是系統最短時間內起動。</p><p><b>　　3.轉速超調</b></p><p>　　由于PI調節(jié)器的特性，只有轉速超調，即在轉速調節(jié)階段，ASR的輸入偏差電壓為負值，才能使ASR退出飽和。所以采用PI調節(jié)器的雙臂環(huán)直流調速系統的轉速動態(tài)響應必然有超調。</p><p>　　其中：轉

35、速調節(jié)器的作用</p><p>　　使轉速n跟隨給定電壓變化，當偏差電壓為零時，實現穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　對負載變化其抗干擾作用。</p><p>　　其輸出限幅值決定允許的最大電壓。</p><p><b>　　四、心得體會</b></p><p>　　本次課程設計對所學的內容加深理

36、解，在設計中所遇問題經小組討論得到了解決，有時會在圖書館或是在互聯網上找所需求的資料對課程設計有很大的幫助。</p><p><b>　　五．文獻參考</b></p><p>　　[1] 黃忠霖．《自動控制原理的MATLAB實現》[M]．國防工業(yè)出版社 .2007.2</p><p>　　[2] 杜坤梅，李鐵才.《電機控制技術》[M].哈爾濱