电流--转速双闭环PID调速系统.doc
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电流--转速双闭环PID调速系统.doc
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指导教师评定成绩:
审定成绩:
重庆邮电大学
《过程控制系统》课程设计
实验题目:
电流--转速双闭环PID调速系统
学校:
重庆邮电大学
学生姓名:
专业:
自动化
班级:
学号:
指导教师:
设计时间:
2012年12月
重庆邮电大学
设计任务书
1).下图所示为川维厂水泵“电流--转速双闭环PID调速系统”的结构图,其有参数如表1所示。
试对该系统进行动态校正,使校正后系统满足下列性能指标:
1.剪切频率;
2.起动时间;
3.起动超调
4.突加10%额定负载时最大动态速将回复时间。
2).设计中应该完成的具体工作如下:
1.动态校正:
设计反馈滤波,给定滤波及各调节器的参数;
2.校核性能指标:
对要求的各项性能指标进行分析计算,直至满足要求为止。
3.用计算机进行仿真,验证计算结果;
4.总结讨论:
对设计结果及相应性能指标进行对比分析,总结收获体会
组别
TA(s)
R∑(Ω)
Ks
Τs(s)
Ie(A)
Ve(V)
ne(V/r/min)
R(Ω)
[GD2]∑(N·m2)
2
0.037
4.88
32.9
0.0017
8.5
220
1500
2.94
1.52~1.64
目录
摘要 1
1电流—转速双闭环PID调速系统的组成及工作原理 2
2双闭环调速系统的动态数学模型 2
3调节器的设计 4
3.1电流调节器的设计 4
3.2转速调节器的设计 6
4参数计算 8
4.1电流环的直接计算 10
4.2速度环的直接计算 12
5仿真具体参数 14
6仿真结果 15
7结束语 16
8致谢 17
9参考文献...........................................................................18
摘要
在现代化的工业生产过程中,许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好,过载能力大,能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。
在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求,在应用广泛地双闭环直流调速系统中,PID控制已经得到了比较成熟的应用。
关键字:
稳态、动态性能、稳定性好、开环直流调速、双闭环直流调速系统
Abstract
Inmodernindustrialproductionprocess,manyproductionmechanicalrequirementsinacertainrangeofspeedregulator,andgoodsteadystate,dynamicperformance.WhiletheDCspeedregulatingsystemofawiderangeofspeed,staticslipsmall,goodstability,largeoverloadcapacity,canmeettheproductionprocessautomationsysteminavarietyofdifferentspecialoperationalrequirements.Inhighperformancedrivetechnology,insidequitelongperiodadoptedbyalmostallDCelectricdrivesystem.
OpenloopDCspeedcontrolbecauseoftheirownshortcomingscanhardlymeettherequirementsoftheproductionprocess,appliedwidelyinDCdoubleloopspeedcontrolsystem,PIDcontrolisalreadyrelativelymatureapplication.
Keywords:
static,dynamicperformance,goodstability,openloopDCspeedcontrol,doubleclosed-loopDCspeedcontrolsystem
一、电流—转速双闭环PID调速系统的组成及工作原理
电流—转速双闭环PID调速系统是最经典的调速系统,其原理如图1所示。
双闭环控制PID调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由2个独立的调节器控制,且转速调节器的输出就是电流调节器的给定,因此电流环能过随转速的偏差调节电动机电枢额电流。
当转速地狱给定转速时,转速调节器的积分作用使输出增加,即电流给定上升,并通过电流环调节使电动机电流增加,从而使电动机获得加速转矩,电动机转速上升。
当实际转速高于给定转速是,转速调节器的输出减小,即电流给定减小,并通过电流环调节使电动机电流下降,电动机将因为电磁转矩减小而减速。
当转速调节器饱和输出达到限幅时,电流环即以最大电流限制,实现电动机的加速,使电动机的启动时间最短,在可逆调速系统中,由于晶闸管整流器不能通过反向电流,因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。
图1电流—转速双闭环调速系统结构框图
二、双闭环调速系统的动态数学模型
假设电机补偿良好,忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的影响,并设励磁电流恒定,得到直流电机数学模型和运动方程分别为:
式中:
为电枢电压;L,,R分别为电枢回路电感、电流和总电阻;E微机电机的反电动势,且有;,分别为电机的电磁转矩和负载转矩,且有;微机电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量。
整理得到电流与电压以及电动势与电流之间的传递函数分别为:
式中:
为电枢回路的电磁时间常数(s);为负载电流(A);为电流拖动系统的机电时间常数(s)。
考虑,可得直流电动机的动态结构。
三、调节器的设计
3.1电流调节器的设计
在按动态性能设计电流环时,可以暂不考虑反电动势变化的动态影响,即E≈0。
这时,电流环如图2所示。
图2电流环的动态结构框图
忽略反电动势对电流环作用的近似条件是:
式中-------电流环开环频率特性的截止频率。
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内,同时把给定信号改成,则电流环便等效成单位负反馈系统。
图3等效成单位负反馈系统
最后,由于Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节,其时间常数为
T∑i=Ts+Toi
则电流环结构图最终简化成图4
图4小惯性环节的近似处理
从稳态要求上看,希望电流无静差,以得到理想的堵转特性,在从动态要求上看,实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。
为此,电流环应以跟踪性能为主,即应选用典型I型系统。
其传递函数可以写成
式中:
为电流调节器的比例系数;为电流调节器的超前时间常数。
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消,选择
电流调节器的参数是和,其中已选定,待定的只有比例系数,可根据所需要的动态性能指标选取。
在一般情况下,希望电流超调量,查表可得,,,则:
3.2转速调节器的设计
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节,为此,需求出它的闭环传递函数由图4可知
忽略高次项,可降阶近似为
近似条件为
式中为转速环开环频率特性的截止频率。
接入转速环内,电流环等效环节的输入量为,因此电流环在转速环中应等效为
这样,原来是双惯性环节的电流环控制对象,经闭环控制后,可以近似地等效成只有较小的时间常数的一阶惯性环节。
这就说明,电流的闭环控制改造了控制对象,加快了电流的跟随作用,只是局部闭环(内环)控制的一个重要功能。
用电流环的等效环节代替电流环后,整个转速控制系统的动态结构框图如图5所示。
图5用等效环节代替电流环的转速换动态结构图
和电流环中一样,把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内,同时将给定信号改成,再把时间常数为和的2个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为的惯性环节,其中
则转速环结构可简化成图6
图6等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理转速环动态结构图
为了实现转速无误差,在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节,它应该包含在转速调节器ASR中。
现在扰动作用点后面已经有一个积分环节,因此转速环开环传递函数应共有2个积分环节,这样的系统同时也能满足动态抗绕性能好的要求。
至于其阶跃响应超调量较大,那是线性系统的计算数据,实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低,由此可见,ASR也应该采用PI调节器,其传递函数为
式中:
为转速调节器的比例系数;为转速调节器的超前时间常数。
这样,调速系统的开环传递函数为
令转速环开环增益为
则
在不考虑负载扰动时,校正后的调速系统动态结构框图如图7所示。
图7校正后的调速系统动态结构框图
四、计算各调节器参数
1.此次设计选用第四组数据,数据见表1
组别
TA(s)
R∑(Ω)
Ks
Τs(s)
Ie(A)
Ve(V)
ne(V/r/min)
R(Ω)
[GD2]∑(N·m2)
2
0.037
4.88
32.9
0.0017
8.5
220
1500
2.94
1.52~1.64
2.电流环计算
电流环结构图如图所示
电流环要求对给定信号响应快,超调小,故一般校正为典型I型系统,取最佳阻尼比,此时,。
电流环的小时间常数包括电流反馈滤波时间常数。
将反馈滤波环节移到前向通道中,并将它们按小惯性群近似处理,总的小时间常数,若取,可得简化结构框图。
电流反馈系数是按电枢电流I达到最大允许电流时,使整定的,取,则有:
LT应采用PI调节器,其传递函数为:
,其参数可按典型I型系统的参数关系选取:
LT的原理图如图所示。
其中,为运算放大器的输入电阻,它的放大器的型号有关,若选FC3C,取=20,则
电流环的闭环传递函数为:
2.速度环计算
简化后的速度环结构框图如图所以:
图中,,为系统的电势常数,而电机固有的电势常数为:
,为电机常数;因,按中间值进行校正,取,则,为总机电时间常数;速度反馈系数整定的,故有;。
速度环要求有良好的跟踪性和抗扰性,一般校正为典型的II型系统,当对振荡度无特殊要求时,常取中频宽为h=5.为了减小超调,应加给定滤波,其时间常数。
按电流环同样的处理方法,可得简化结构框图。
若取
则,
ST应采用PI调节器,其参数课按典型II系统的参数关系选择:
ST的原理电路图如图所示。
其中,为运算放大器的输入电阻,它的放大器的型号有关,若选FC3C,取=20,则
按上述方案设计,系统的截止频率及振荡度分别为:
起动时间,起动超调,抗干扰性,恢复时间为:
综上所述各项符合要求。
五、系统仿真
系统仿真结构图如图10所示
图10仿真系统构建原理图
六、结束语
利用双闭环直流调速系统调节器的工程设计方法确定2个调节器的参数,在结合双闭环调速系统的今本工作原理确定2个调节器的限幅值,调用Matkab/Simulink中的基本模块,按工程实际改变相应模块的参数,设定合适的仿真算法、仿真时间、步长、相对误差等,很容易建立起双闭环直流调速系统动态模型的仿真模型。
通过对直流电机双闭环调速系统动态模型的分析,在Matlab/Simulink工具箱中搭建了直流电机上闭环调速的动态模型。
用该模型对一实例进行了仿真,通过仿真可知,此方法所得结论与理论值相吻合。
此模型与以往的模型不同,差别在于以往模型中的参数都是给定数值,而此模型则是把所有的固定参数都转换成变量的形式,以适应在不同的工程需要当中。
通过这次设计,我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。
具体的说,第一,了解了调速的发展史的同时,进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力,掌握了这一方面未来的发展动态;第二,了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性;第三,基本掌握了ASR、ACR(速度、电流调节器)为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取,包括其参数的计算;第四,运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真,与此同时,进一步熟悉了MATLAB的相关功能,掌握了其使用方法。
本课程设计综合运用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动与控制技术等的知识,为了更好的完成设计,我又重新复习了一遍原来所学的知识,加深了对知识的理解,提高了对知识的应用能力,同时使我认识到了各个课程之间是紧密联系的。
七、致谢
首先感谢感谢罗亦军老师,在老师的课间让我学到了学多知识,开拓了我的视野。
老师在确定题目后仔细的讲解下,让我知道本次课程设计该如何着手,如何一步步的做下去。
其次感谢我同组的伙伴们,在我们的共同努力下完成了这次课程设计。
经过这次课程设计,让我更加熟悉了画框图软件visio,更加熟练编辑公式。
PID参数的整定是系统控制的重点,明白了过程控制在自动化领域的重要性,更深一步的将课本知识运用到实践中去。
总之,在设计过程中,我不仅学到了以前从未接触过的新知识,而且学会了独立的去发现,面对,分析,解决新问题的能力,不仅学到了知识,又锻炼了自己的能力,使我受益非浅,同时感谢在设计中提供帮助的老师和同学们。
八、参考文献
1《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》阮毅陈柏时机械工业出版社
2《交直流调速系统与MATLAB仿真》周渊深中国电力出版社
3《MATLAB在电气工程中的应用》李维波中国电力出版社
4《MATLAB在电气工程中的应用实例》李维波中国电力出版社
5《电机与拖动》唐介高等教育出版社
6《自动控制原理与应用》刘湘涛电子工业出版社
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- 关 键 词:
- 电流 转速 闭环 PID 调速 系统