電機(jī)控制課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　電機(jī)控制課程設(shè)計</b></p><p>　　課 程 名 稱 電機(jī)控制技術(shù) </p><p>　　院（系、部、中心） 電力工程學(xué)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(xué) 號 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師

3、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　任務(wù)書……………………………………………. 3</p><p>　　二、 直流開環(huán)系統(tǒng)……………………………………. 7</p><p>　　三、 直流轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)………………………..9</p><p&

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

5、電機(jī)控制技術(shù) </p><p>　　院（系、部、中心） 電力工程學(xué)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(dǎo) 教 師 </p><p>　　一、直流開環(huán)系統(tǒng)動態(tài)模型仿真研究</p><p>　　1..1 開環(huán)系統(tǒng)直流系統(tǒng)的介紹</p><p>　　在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無反相聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，

7、控制電壓直接有給定電壓產(chǎn)生。如果生產(chǎn)機(jī)械對靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，而開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。但是，在實際中許多需求無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率提出較嚴(yán)格的要求，不能允許很大的靜差率</p><p>　　1.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　1.忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入-輸出關(guān)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(nèi)阻。</p><p>　　開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：</p><p>　　電力電子變速器 Ud0=KsUc</p><p>　　直流電動機(jī) n=(Ud0-IdR)/Ce</p><p>　　有上兩式得到開環(huán)調(diào)系統(tǒng)的機(jī)械特性為<

9、;/p><p><b>　　=</b></p><p>　　開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示</p><p>　　圖1.1開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.3直流開環(huán)系統(tǒng)仿真各環(huán)節(jié)參數(shù) </p><p><b>　?。?）給定參數(shù)</b></p>

10、<p>　　直流電動機(jī)：額定電壓 Un=220V，額定電流 I dn=55A，額定轉(zhuǎn)n=1000r/min，電動機(jī)電動系數(shù)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(shù)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(shù)Tl=0.00167s，電力拖動系統(tǒng)機(jī)間

11、常數(shù)Tm=0.075s。</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.01V.min/r</p><p>　　對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓U*n=10V。</p><p><b>　?。?）計算參數(shù)</b></p><p>　　= = </p><p><b>　　（3

12、）結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p><b>　　（4）仿真圖</b></p><p>　　1.4直流開環(huán)系統(tǒng)的分析</p><p>　　開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單生產(chǎn)成本低，但靜差率大。</p><p>　　二．直流單閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)模型仿真研究</p><p>　　2..1單閉環(huán)直流系

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

14、信號，經(jīng)“速度變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與給定的電壓相比較經(jīng)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(jīng)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(gòu)成速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。點擊的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P調(diào)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(diào)解器換成PI調(diào)節(jié)。這是當(dāng)給定恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變換器抑制作用，當(dāng)電機(jī)

15、負(fù)載或電源電壓波動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。</p><p>　　圖2.1 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.3轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理的結(jié)構(gòu)圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖2.2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)

16、構(gòu)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(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性： </p><p><b>　　測速發(fā)電機(jī)： </b>&

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

18、</p><p>　　2.4轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)真各環(huán)節(jié)參數(shù)</p><p><b>　　1給定參數(shù)</b></p><p>　　直流電動機(jī)：額定電壓 Un=220V，額定電流 I dn=55A，額定轉(zhuǎn)n=1000r/min，電動機(jī)電動系數(shù)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(shù)Ks=44，滯后時間常數(shù)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(shù)Tl=0.00167s，電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.075s。</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.01V.min/r</p><p>　　對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓U*n=10V。</p><p>

20、;<b>　?。?）計算參數(shù)</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(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；</p><p>　　3．忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。</p><p><b>　　（3）結(jié)構(gòu)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(diào)速系統(tǒng)分析</p><p>　　單閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電壓，而開環(huán)系統(tǒng)不能自動調(diào)節(jié)。以負(fù)載增大為例，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程如下：</p><p>　

23、　具有比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)，強(qiáng)調(diào)指出：有靜差系統(tǒng)的概念。這種系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)模型仿真研究</p><p>　　3.1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹</p><p>　　雙閉環(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

24、具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)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(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，如突加負(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)中不能完全按照需求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

25、組成</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，在用電流調(diào)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(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和A

26、CR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制其實有能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)速器便能保證系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　首先要畫出雙臂環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

27、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然以傳遞函數(shù)或零點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙臂環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。</p><p>　　圖3.3 雙閉環(huán)調(diào)速

28、系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p><b>　?。?）給定參數(shù)</b></p><p>　　直流電動機(jī)：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V*min/r，</p><p>　　允許過載倍數(shù) 1.5倍</p><p>　　晶閘管裝置放大系

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

30、;/p><p><b>　　（2）計算參數(shù)</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(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 </p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) </p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益</b></p><p><b>　?。?）結(jié)構(gòu)圖</b></p><p><b>　　（4）仿真圖</b></p>

32、;<p>　　3.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程分析</p><p>　　設(shè)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(diào)速系統(tǒng)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。雙閉環(huán)直流調(diào)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(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速換開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR 不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.準(zhǔn)時間最優(yōu)控制</b></p><p>　　在恒流升速階段，系統(tǒng)電流為允許最

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

35、速調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當(dāng)偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　對負(fù)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(shè)計對所學(xué)的內(nèi)容加深理

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