《直流電動機轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《直流電動機轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計（37頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
1、附一、 系統(tǒng)建模、仿真與控制實例 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計2 基于雙閉環(huán)PID控制的一階倒立擺控制系統(tǒng)設計3 龍門吊車重物防擺的魯棒PID控制方案4 龍門吊車重物防擺的滑模變結構控制方案5 一階直線倒立擺系統(tǒng)的可控性研究7 問題與探究-靈長類仿生機器人運動控制6 自平衡式兩輪電動車運動控制技術研究 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法
2、三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計自70年代以來，國內外在電氣傳動領域里，大量地采用了“晶閘管整流電動機調速”技術（簡稱V-M調速系統(tǒng)）。盡管當今功率半導體變流技術已有了突飛猛進的發(fā)展，但在工業(yè)生產中V-M系統(tǒng)的應用還是占有相當比重的。 automatic current regulator (ACR) 自動電流調節(jié)器 automatic speed regulator (ASR)自動速度調節(jié)器.實際上就是調速器 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計建模根據(jù)額定勵磁下他勵直流電動機的等效電路，可以寫出回路中電壓和轉矩平衡
3、的微分方程 電動機的數(shù)學模型通過對上面兩式進行拉氏變換后，可以得到電動機的數(shù)學模型（動態(tài)傳遞函數(shù)形式） 其中 l LT R為電樞回路電磁時間常數(shù) 2375m e mGD RT C C為電機系統(tǒng)機電時間常數(shù) 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計晶閘管觸發(fā)
4、與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管裝置的失控時間引起的?？紤]到失控時間很小，忽略其高次項，則其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)，如下式所示 0( )( ) 1d sct sU s KU s T s 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系
5、統(tǒng)設計 比例放大器、測速發(fā)電機和電流互感器的響應通常都可以認為是瞬時的，但是在電流和轉速的檢測信號中常含有交流分量（噪聲），故在反饋通道和給定信號前均加入濾波環(huán)節(jié)。 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計1.啟動的快速性問題 借助于PI調節(jié)器的飽和非線性特性
6、，使得系統(tǒng)在電動機允許的過載能力下盡可能地快速啟動。 圖4-5 理想電動機起動特性 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計2.提高系統(tǒng)抗擾性能 通過調節(jié)器的適當設計可使系統(tǒng)“轉速環(huán)”對于電網電壓及負載轉矩的波動或突變等擾動予以控制（迅速抑制），在最大速降、恢復時間等指標上達到最佳。 圖 雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)負載擾動特性 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程
7、設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計在圖4-7中給出了控制系統(tǒng)的PI控制規(guī)律動態(tài)過程，從中我們可知： (a) (b)圖4-7 比例積分調節(jié)器結構及其輸入輸出動態(tài)過程 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計1只要偏差U存在，調節(jié)器的輸出控制電壓Uc就會不斷地無限制地增加。因此，必須在PI調節(jié)器輸出端加限幅裝置。2當U =0時，Uc=常數(shù)。若要使Uc下降，必須使U 0。因此，在直流調速控制系統(tǒng)中，若要使ASR退出飽狀態(tài)（進入線形控制狀態(tài)），就一定要產生超調現(xiàn)象。3對于前向通道帶有慣性環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，若控制器存在“積分作
8、用”，則在給定作用下，系統(tǒng)輸出一定會出現(xiàn)超調。 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計對于直流電動機調速控制系統(tǒng)，通常調節(jié)器均按PI形式設計，將對象設計成典型系統(tǒng)。電流環(huán)調節(jié)器的設計: 在穩(wěn)態(tài)上希望電流控制無靜差，以得到理想的堵轉特性，而且要求電流的跟隨
9、性能要好.因此，把電流環(huán)設計校正成典型I型系統(tǒng)。1電流調節(jié)器：1( ) iACR i isW s K s 取: i lT 12I iK Ti s oiT T T i sI iK KK R 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 2轉速調節(jié)器：1( ) n ASR n nsW s K s 取: 5n nT 2n i onT T T ( 1)2 e mn nh C TK h RT 轉速環(huán)調節(jié)器設計: 按系統(tǒng)綜合成典型II型系統(tǒng)來設計，這樣既可以保證轉速無靜差，又有較強的抗擾性。 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模
10、型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計系統(tǒng)中采用三相橋式晶閘管整流裝置，基本參數(shù)如下：直流電動機：220V，13.6A，1480r/min，Ce=0.131V/（r/min），允許過載倍數(shù)=1.5；晶閘管裝置：Ks=76；電樞回路總電阻：R=6.58；時間常數(shù)：Tl=0.018s，Tm=0.25s；反饋系數(shù)：=0.00337V/（r/min），=0.4V/A；反饋
11、濾波時間常數(shù)：Toi=0.005s，Ton=0.005s 。這里我們借助Simulink來分析一下雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)的動態(tài)性能 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50 500 1000 1500 2000 2500 3000 理論設計條件下輸出轉速曲線 t/s n/r/m in 轉速圖4-8 理論設計條件下輸出轉速曲線 圖4-8給出了基于上述理論設計的系統(tǒng)仿真結果，我們發(fā)現(xiàn)：轉速有很大的超調（并不是8.3%）。 1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計究其原因有如下幾點：1、前述的
12、理論設計沒有考慮“飽和非線性”的影響，由于起動階段ASR飽和程度太大，當轉速超調后需要很長一段時間來退出飽和，退飽和這段時間轉速仍然在上升，這段時間的系統(tǒng)響應特性與積分時間常數(shù)有很大的關系；2、系統(tǒng)設計中畢竟存在幾個環(huán)節(jié)的“近似處理”。所以，下面我們需要依據(jù)經驗，對ASR與ACR的參數(shù)在理論設計的基礎上作適當?shù)恼{整；調整后的系統(tǒng)結構與參數(shù)如圖4-9所示；下面進行系統(tǒng)仿真實驗與分析。 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 圖4-9 V-M系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計通過仿真實驗，對于圖4-10，4-11，4-12所示的系統(tǒng)工作過程可概括成如下幾點：1
13、ASR從起動到穩(wěn)態(tài)運行的過程中，經歷了兩個狀態(tài)，即飽和限幅輸出與線性調節(jié)狀態(tài)。2ACR從起動到穩(wěn)態(tài)運行的過程中只工作在一種狀態(tài)，即線性調節(jié)狀態(tài)。3圖4-10所示的電動機起動特性已十分接近理想特性，所以，該系統(tǒng)對于起動特性來說，已達到預期目的。4對于系統(tǒng)性能指標來說，起動過程中電流的超調量為5.3%，轉速的超調量達21.3%，顯然這一指標與理論最佳設計尚有一定的差距，尤其是轉速的超調量略高一些。 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7-4 -2 0 2 4 6 AS R輸 出/ V 0 400 800 1200 1600 2000 t/
14、s 轉速 n/r/ min ASR輸出 轉速圖4-10 ASR的輸出特性 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 0 1 2 3 4 5 AC R輸 出/ V 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7 0 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉速 n/r/ min 轉速 ACR輸出圖4-11 ACR的輸出特性 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7-10 -2 6 14 22 30 電動 機電 流/ A 0 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉速 n/r/ min 電動機電流 轉
15、速 =5.3% =21.3% 圖4-12 電動機起動特性 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 一般情況下，雙閉環(huán)直流電機調速控制系統(tǒng)的外部干擾主要是“負載突變與電網電壓波動”兩種情況，因此圖4-13，4-14中分別給出了該系統(tǒng)電動機轉速在突加
16、負載及電網電壓突減情況下動態(tài)特性的仿真分析。 -10 -4 2 8 14 20 電動 機電 流Id /A 0 1 2 3 4 50 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉速 n/r/m in 1A 13A 轉速 電動機電流圖4-13 突加負載抗擾特性 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 0 100 200 300 400 500 Ud 0/V 0 1 2 3 4 50 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉速 n/r/ min 轉速 Ud0圖4-14 電網電壓突加抗擾特性 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計通過仿真實驗，對于該系統(tǒng)的抗
17、擾性能，我們可有如下幾點結論：1系統(tǒng)對負載的大幅度突變具有良好的抗擾能力，在I=12A的情況下系統(tǒng)速降為n=44r/min，恢復時間為tf=1.5s。2系統(tǒng)對電網電壓的大幅波動也同樣具有良好的抗擾能力。在U=100V的情況下，系統(tǒng)速降僅為9r/min，恢復時間為tf=1.5s。3與理想的電動機的起動特性相比較，該系統(tǒng)的起動和恢復時間顯得略長一些（輕載狀態(tài)下接近4s）。 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型 1.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型 二、電流環(huán)與轉速環(huán)調節(jié)器設計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關于積分調節(jié)
18、器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結論 4.1 直流電動機轉速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計1仿真結果與理論設計有一定的差距，由圖4-12可見，電流動態(tài)響應的超調量為=5.3%（理論值為4.3%），轉速動態(tài)響應超調量為=21.3%（理論值為8.3%）。另外，ASR與ACR的參數(shù)與理論設計值也有差距。從仿真結果上看，系統(tǒng)還未調整到最佳狀態(tài)，這一點可從動態(tài)過渡時間及動態(tài)恢復時間上來看，對于小功率電動機來說系統(tǒng)的響應慢了一點。 2.如果我們在實際裝置上再對系統(tǒng)進行實際調整，我們還會發(fā)現(xiàn)：實際調試結果與仿真結果還將有一些差距，而與理論分析結果的差距可能更大一些（主要的調節(jié)器參數(shù)）。 Thank you !
直流電動機轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計
