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電力拖動課程設(shè)計
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黑龍江大學(xué)課程設(shè)計說明書 學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化 課程名稱：電力拖動自動控制系統(tǒng) 設(shè)計題目：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACR 結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(2) 姓名：代敏 學(xué)號：20123772 指導(dǎo)教師：袁 明
成績：
雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACR結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(2) 一．設(shè)計目的： 掌握用工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，加深對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)理解。 二．設(shè)計內(nèi)容： 在一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，已知電動機(jī)數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，308A，1000r/min，Ce= 0.196V·min/r, 主回路總電阻R=0.18Ω, Ks = 35，TL=0.012s,Tm=0.12s,電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.0025s, 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.015s, 額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓為10V, ASR最大輸出限幅值為8V, ACR最大輸出限幅值為6.5V，R0=40kΩ。 設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差；調(diào)速范圍D=10, 電流超調(diào)量si ≤ 5%，電機(jī)空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量sn ≤ 10%，起動電流限制在339A以內(nèi)。 三．時間安排： 6.22—6.23 查閱相關(guān)資料； 6.24—6.25 按要求設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，完成設(shè)計文本 6.26 考核答辯 四．參考書目： 1.《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（第3版）陳伯時主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2.《電力電子技術(shù)》（第4版） 王兆安 黃俊主編 機(jī)械工業(yè)出版社 3.《自動控制理論》 劉丁主編 機(jī)械工業(yè)出版社 4.《電機(jī)及拖動基礎(chǔ)》（第3版） 顧繩谷主編 機(jī)械工業(yè)出版社
目錄 第一章緒論............................................................ 3 1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹........................................... 3 1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖....................................... 4 1.3調(diào)節(jié)器的作用....................................................... 5 第二章電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計............................................ 5 2.1 典型系統(tǒng)的介紹..................................................... 5 2.2 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算............................................... 7 2.3 效驗近似條件....................................................... 9 2.4 計算電阻和電容.................................................... 10 第三章轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計........................................... 11 3.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù).......................................... 11 3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇............................ 11 3.3 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的確定.................................................. 12 3.4 校驗校驗近似條件.................................................. 13 3.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容.............................................. 14 3.6 校核超調(diào)量........................................................ 15 結(jié)論及心得體會...................................................... 19 參考書目…………………………………………………………………………20
第一章 緒論 1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(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(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。 在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-1(a)所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif 圖1-1 在實際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-1（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段。 1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif 圖1-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使得二者在時間上恰好的配合。 由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif的給定濾波環(huán)節(jié)。 1.3調(diào)節(jié)器的作用 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 （1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 （2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 （3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。
第二章 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計
2.1 典型系統(tǒng)的介紹 一般來說，許多典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可用下式表示： file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif 其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點和復(fù)數(shù)極點。0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用Ⅰ型和Ⅱ型系統(tǒng)。 1）典型Ⅰ型系統(tǒng) 作為典型Ⅰ型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif 式中 T------系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K------系統(tǒng)的開環(huán)增益。 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示，開環(huán)對數(shù)幅頻特性如圖2-2所示.選擇它作為典型Ⅰ型系統(tǒng)是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段以-20file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif的斜率穿越0file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。顯然要做到這一點，應(yīng)在選擇參數(shù)時保證 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.gif
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.gif 圖2-1 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.gif 圖2-2 2）典型Ⅱ型系統(tǒng) 開環(huán)傳遞函數(shù)為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.gif 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對數(shù)幅頻特性如圖2-3，圖2-4所示，其中頻段也是以-20file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image033.gif的斜率穿越0file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif線。由于分母中file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image035.gif項對應(yīng)對應(yīng)的相頻特性是file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.gif，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，如果不在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image039.gif，就無法把相頻特性抬到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.gif線上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定。顯然應(yīng)保證 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image041.gif 而相角穩(wěn)定裕度為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image043.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image045.gif比T大的越多，則系統(tǒng)穩(wěn)定裕度越大。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image047.gif 圖2-3 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image049.gif 圖2-4 典型Ⅰ型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，一般來說，在動態(tài)性能中典型Ⅰ型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量小，但抗擾性能差；而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻較好。所以電流調(diào)節(jié)器選用典型Ⅰ型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用典型Ⅱ型系統(tǒng)。 2.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算
確定時間常數(shù) 1）整流裝置滯后時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image051.gif。按下表，三相橋式電路的平均失控時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image053.gif。
| 最大失控時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image055.gif | 平均失控時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image057.gif | | | 10 | | | 5 | | | 3.33 | | | |
電流濾波時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image059.gif 電流環(huán)小時間常數(shù)之和file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image061.gif。按小時間常數(shù)近似處理，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image063.gif 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image065.gif，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image067.gif 檢查對電源電壓的抗擾性能：file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image069.gif，參照下表典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image071.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image073.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image075.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image077.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image079.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image081.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image083.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image085.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image087.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image089.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image091.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image093.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image095.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image097.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image099.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image101.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image103.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image105.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image107.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image109.gif |
計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image111.gif。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image065.gif時，按下表，應(yīng)取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image113.gif，因此 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image115.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image117.gif 于是，ACR的比例系數(shù)為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image119.gif
參數(shù)關(guān)系file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image121.gif | | | | | | 阻尼比file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image123.gif | | | | | | 超調(diào)量file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image125.gif | | | | | | 上升時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image127.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image129.gif | 6.6file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 4.7file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 3.3file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 2.4file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image135.gif | 峰值時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image137.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image129.gif | 8.3file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 6.2file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 4.7file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 3.6file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image135.gif | 相角穩(wěn)定裕度file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image144.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image146.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image148.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image150.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image152.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image154.gif | 截止頻率file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image156.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image158.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image160.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image162.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image164.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image166.gif |
2.3效驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image168.gif 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image170.gif 滿足近似條件 （2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件，已知file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image172.gif=0.112s file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image174.gif 滿足近似條件。 （3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image176.gif 滿足近似條件。 2.4計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由下圖 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image178.gif 按所用運算放大器取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image180.gif，各電阻和電容值為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image182.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image186.gif ，取9file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image188.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image190.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image192.gif，取0.3file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image194.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image196.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image198.gif，取0.25file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image194.gif
按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image200.gif，滿足設(shè)計要求 第三章轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)化簡后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image202.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image204.gif 忽略高此項，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image205.gif可降階近似為： file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image207.gif 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image209.gif，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為： file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image211.gif 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image213.gif的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用 3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image215.gif圖3-1 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image217.gif，再把時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image219.gif和file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image221.gif的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image223.gif的慣性環(huán)節(jié)，其中file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image225.gif，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡成圖3-2。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image227.gif 圖3-2
3.3轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的確定 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image219.gif:由上已取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image229.gif，則 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image231.gif 2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image233.gif 3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image235.gif：按小時間常數(shù)近似處理，取 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image237.gif 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image239.gif 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image241.gif，則ASR的超前時間常數(shù)為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image243.gif 由file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image245.gif得file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image247.gif 于是由 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image249.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image251.gif 得ASR比例系數(shù)為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image253.gif
3.4 檢驗近似條件 由式file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image255.gif得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image257.gif 電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡條件 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image259.gif
滿足簡化要求。 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image261.gif
滿足近似條件。 3.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 根據(jù)下圖
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image263.gif 取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image265.gif，則 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image267.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image270.gif，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image272.gif=300file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image274.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image276.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image278.gif，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image280.gif=0.5file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image282.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image284.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image286.gif，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image288.gif=1.5file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image282.gif 3.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image290.gif時，由下表查得，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image292.gif，不能滿足設(shè)計要求，實際上，由于下表是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image294.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image296.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image298.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image300.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image302.gif | | | | | | | | |
退飽和計算 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算 計算退飽和超調(diào)量時，起動過程可按分段線性化的方法來處理。當(dāng)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image304.gif飽和時，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，電流環(huán)輸入恒定電壓file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image306.gif，如果忽略電流環(huán)短暫的跟隨過程，其輸出量也基本上是恒定值file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image308.gif，因而電動機(jī)基本上按恒加速度起動，其加速度為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image310.gif 這個加速過程一直延續(xù)到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image312.gif時刻file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image314.gif時為止。取上式的積分，得 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image316.gif 考慮到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image318.gif和file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image320.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image322.gif，則 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image324.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image326.gif退飽和后，轉(zhuǎn)速環(huán)恢復(fù)到線性范圍內(nèi)運行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖4-1。描述系統(tǒng)的微分方程和前面分析線性系統(tǒng)的跟隨性能時相同，只是初始條件不同了。分析線性系統(tǒng)跟隨性時，初始條件為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image328.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image330.gif 討論退飽和超調(diào)時，飽和階段的終了狀態(tài)就是退飽和階段的初始狀態(tài)，只是把時間坐標(biāo)零點從file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image332.gif移到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image334.gif時刻即可。因此，退飽和的初始條件是 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image336.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image338.gif 在典型Ⅱ系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image340.gif的基準(zhǔn)值的為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image342.gif 可知 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image344.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image346.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image348.gif 所以file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image350.gif的基準(zhǔn)應(yīng)是 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image352.gif 令file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image354.gif表示電機(jī)允許的過載倍數(shù)，即file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image356.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image358.gif表示負(fù)載系數(shù)，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image360.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image362.gif為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械的額定穩(wěn)態(tài)速降，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image364.gif，代入，可得 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image366.gif 由設(shè)計要求可得電機(jī)允許的過載倍數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image368.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image370.gif,file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image372.gif,file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image374.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image376.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image378.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image380.gif。當(dāng)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image382.gif時，由下表查得file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image384.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image386.gif 電力電子變換器理想空載輸出電壓file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image388.gif， 有 電動機(jī)電流file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image390.gif， 又由 負(fù)載系數(shù)file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image392.gif
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image394.gif 滿足設(shè)計要求file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image396.gif
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image294.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image399.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image401.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image403.gif | | | | | | | | |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image405.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image407.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image409.gif
結(jié)論及心得體會 1.遇到的主要問題 各環(huán)節(jié)的機(jī)構(gòu)圖化簡 由于采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖較長，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)不容易確定。為了便于計算，在參數(shù)確定過程中，先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，既首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)節(jié)作為轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)機(jī)器的過程中，根據(jù)題目要求，將電流環(huán)矯正成I型系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)速環(huán)矯正成II型系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計中，將系統(tǒng)中的一組小慣性環(huán)節(jié)，近似的看成一個小慣性環(huán)節(jié)，從而大大簡化了計算。 相關(guān)參數(shù)的選取 在電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算過程中，待定參數(shù)只有Ki，通過查表和簡單計算就可以求得Ki，但是，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)參數(shù)的確定中，待確定的參數(shù)有K和T。在工程設(shè)計中，如果兩個參數(shù)都任意選擇，工作量是很大的，通過采用“震蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則，可以找到h和Wc兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。進(jìn)而求得所求參數(shù)。
2.學(xué)習(xí)收獲 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照ASR在起動過程中的飽和情況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，II階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護(hù)和及時抑制電壓波動。 通過本次設(shè)計理解了典型Ⅰ型系統(tǒng)和典型Ⅱ系統(tǒng)的兩個動態(tài)性能指標(biāo)，跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)，與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。典型Ⅰ型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；典型Ⅱ系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。根據(jù)這一依據(jù)，實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各不相同選用的系統(tǒng)類型也不同。如調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性以抗擾性能為主，則應(yīng)首先典型Ⅱ系統(tǒng)；而隨動系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)以跟隨性能為主，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計。 這次課程設(shè)計我詳細(xì)的明白了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有一定的理解，掌握了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計方法與步驟，所學(xué)的知識得到了進(jìn)一步的鞏固。
參考書目 1.《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（第3版）陳伯時主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2.《電力電子技術(shù)》（第4版） 王兆安 黃俊主編 機(jī)械工業(yè)出版社 3.《自動控制理論》 劉丁主編 機(jī)械工業(yè)出版社 4.《電機(jī)及拖動基礎(chǔ)》（第3版） 顧繩谷主編 機(jī)械工業(yè)出版社
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