自动化课程设计 75

课程设计目录第一章设计任务21.1设计目标21.2客观条件3第二章系统建模32.1实验原理3第三章系统设计73.1设计电流调节器83.2设计转速调节器103.3 Matlab 仿真12第四章系统调试144.1单元调试144.2系统调试154.3转速环整定154.4系统性能测定15第五章系统评估175.1系统实际性能评价175.2系统误差分析185.3实验中遇到的问题18结束语18参考文献19附件原始实验数据单第一章设计任务1.1设计目标：采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统 稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要 求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足需要，因为在单 闭环系统中不能随心随意的控制电流和转矩的动态过程，所以为了实现转速和电 流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即 分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接，如下图1-la所示。 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力G” W 10%U*= = 5vU*q = 5vU = 1. 4Ap= 5v/ 1.4Aa= 5v/ 1450rpmRo = 20KQ=0. 224pF系统中已知条件：性能指标需要达到的性能指标是：静态：s% W 5% D = 3动态：a% W 5%最大速度给定最大电流给定 最大电枢电流 电流反馈强度 速度反馈强度 调节器输入电阻调节器输入滤波电容 系统的稳态结构框图如下图1-lb所示： 1.2客观条件：实验设备：1、MCL-III型电力电子及电气传动实验台。2、GDM-8145万用电表。3、Tektronix TDS 1012 型示波器(100HZ 1G/S)。4、DM6243LC METER 电感表。第二章系统建模 2.1、实验原理:待测参数：1.电动机电枢内阻Ra电势转速系数Ce2.整流电源等效内阻放大系数Ks3.平波电感直流内阻Ra4.电枢回路总电阻Re = R+ R*+ Ra电磁时间常数tl机电时间常数Tm 2.2系统参数测定: 整流电源等效内阻& （伏安法）条件：电机静止，电枢回路外串限流电阻固定控制信号Uct大小，0. 5AWId W1A 实验等效电路图：实验数据:Ud/V277V281VId/A0. 9A0.5=10Q,281-277R3 O.5-O.9 电枢内阻Ra、平波电感内阻Rd 测量方法：（伏安法）电机静止，电枢回路外串限流电阻固定控制信号Uct大小，Id W1A使电枢处于三个不同位置（约120对称）进行三次测量（U“，Ua, la）,求Ra , Rd的平均值实验数据:U/V20. 3V20. 1520. 22IWV11. 2011. 2211. 220. 890. 890. 89Ra22. 8122. 6422. 72Rd12. 5812. 6112. 61Ra 的平均值=(22. 81+22. 64+22. 72) +3=22. 72QRd的平均值=(12. 58+12. 61+12. 61)3=12.60。 电动机电势转速系数Ce方法：（1）切除电枢回路外串限流电阻，电机空载运行（2）调节控制信号Uct大小，得到两组数据:媚/v196V173 Vn r/min13341176U羽一喝 196-173.C产亨苛=声击=】46八“ 整流电源放大系数Ks方法：（1）分级调节控制信号U”大小，并保持h W1A（2）测量每一组IL：,艮，L,数据应大于10组以上，测量上限不低于最大理 想空载整流输出电压UdOrax（3）按Ud0= Ua+LXK作出电源输入-输出特性曲线（用Excel生成，下图）（4）取线性段23段，求其斜率平均值得Ks实验数据：Ud2802602402202001801601401201003. 22. 522. 081. 761. 491. 291.110. 960. 830. 69Id0. 50. 460. 410. 390. 350.310. 280. 240. 200. 17Udo285264.6244. 1223. 9203. 5183. 1162. 8142.4122.0101. 7Uct2 -U 电枢回路电磁时间常数Tl测量方法：（1）断开电枢回路连线电感表La（2）使用电感表测量电枢回路总电感量L 电路图：实验数据:Ld0. 542La0. 352利用公式L 二岛+叹，= , -*Tl= (0.542+0.352) 4- (Rn+Ra+Rd) =0.8944- (10+22. 72+12. 60) =0. 0197s 电枢回路机电时间常数上测量方法：（1）电机空载，突加给定，并使起动峰值电流达到系统设定最大电流（2）记录id波形，由下列公式计算TmC.波形如图所示:【dm 【dz匚 GD为也_ I 买 Cm 375CeCm dt z %dtT =Idxn-Idzfladt-Iz(tB-tA)弓=Idm-Idz【dm 1也面积 S 经过估算为 0.0445, Tni=0.04454-(8.9-1.2) =0.0577s第三章系统设计系统传递函数结构图如下: 3.1设计电流调节器1. 电流环结构框图的化简在一般情况下，系统的电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm,因此，转速 的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说,反电动势是一个变化较慢的扰动, 在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，这样，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影响，可以暂且把反电动势的作用去掉, 得到电流环的近似结构框图，如下图a, b, c所示：a)b)ACRfc侦)2. 确定时间常数1）整流装置滞后时间常数Ts，三相桥式电路的平均时间Ts=O. 0017s2）电流滤波时间常数Toi=CoiXR0/4=0. 224pFX20KQ/4=l. 12ms3）电流环小时间常数之和0=Ts+L=0. 00282s3. 选择电流调节器结构根据设计要求6% W 5% ,并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电 流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，检查电 源电压的抗干扰性能：=0. 0197/0. 00282=6. 99,参照书上的关系表，各项指TSi标都是可以接受的。4. 计算电流调节器参数电流调节器超前时间参数：Ti=TL=0. 0197o电流环开环增益：要求6% W 5%时，应取虬&产0.5,因此K二0. 5/&i=0. 5/0. 00282=177. 30s-1于是，ACR 的比例系数为 KKjTjR/Ks P=177. 3X0. 0197X45. 32/101. 88X3. 57=0. 4355. 校验近似条件电流环截止频率:ODci =K二177.30sT11）晶闸管整流装置传递函数的近似条件：=1/3X0. 0017=196. Is-COci3Ts满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3际=3X匾哀芝.98s-】Cci满足近似条件。6. 计算调节器电阻和电容己知 Ro = 20KQ,电阻Ri=Ki Ro =0. 435X 20KQ=8. 7KQq = Ti / Ri= 0.0197/8700=2.26 X106F=2. 26pF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为e%=4.3% V5%,满足设计要求。 3.2设计转速调节器。1. 用电流环的等效环节代替动态结构框图中的电流环以后，这个转速调节器的结 构框图及其化简如下图a, b, c所示：a)b)2. 确定时间常数1）电流环等效时间常数1/Kj,由上面计算得Ki&i=0.5,则1/Ki二2&i二2X 0. 00282=0. 00564s2）转速滤波时间常数Tn，根据所用测速发电纹波情况，可得Tn=0.00112s3 ）转速环小时间常数与n，按小时间常数近似处理，取TfnT/Ki+Ton =0. 00564s+0. 00112=0. 00676s3. 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器。4. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为Tn=hTZn=5 X0. 00676=0. 0338s,转速环开环增益 KN=-h+1 =6/2X52 xo. 0067 62 =2626. Os2,z 2h2Tn2（h+1） BC T-ASR 比例系数为Kn二=6X3. 57X0. 146X0. 0577/2X5X0. 0034511 2hcxRTnX45. 32X0. 00676=17. 075. 校验近似条件转速环截止频率为 COcn =KN/CDi=KNTn=490. 6X0. 0782=38. 36s11）电流环传递函数简化条件为|株3JT4思衰一558s-满足简1.4x45.320.146-V0%I460-化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为=38COcn.满足近似条件。on.6. 计算调节器电阻和电容根据己知条件，取Ro = 20KQ，则Rn=KnR0=341. 4 KO,Qin/ %】二。99怦7. 校核转速超调量当h=5时，查表克制，bn二37. 6%,不能满足设计要求，因为表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况计算超调量：6.芝（当牛）Cb 1】n Tyn0.01564（入一 Z ）-=2X81. 2%X1. 5XXn* Tm0.0577 3.3 Mat lab仿真系统的MATLAB仿真图如下图所示:U*=5V,负载 Id =0. 14A 时, id的波形如下：Qi%= (1.42-1.3) ： 1.3X100%=9.2%n的波形如下：灸二(1500-1450) 4-1450X100%=3.4%10%,满足系统要求U*=5V,负载 Id =0. 7A 时, id的波形如下：(71%= (1.42-1.34) +1.34X100%=6.0%n的波形如下：bn%二(1490-1460) 4-1460X100%=2. 05%5%,不满足系统要求，这可能是在处理数据的过程中对数据进行近似或简化处 理过程中所引起的。bn%二(1500-1450) 4-1450X100%=3. 4%10%,满足系统要求。U*=5V,负载 Id =0. 7A 时，6%=(1.42-1.34) 4-1. 34X 100%=6. 0%略大于 5%,这可能是在数据的处理过程中做的近似处理所引起的，bn%二(1490-1460) 4-1460X100%=2. 05%10%,满足系统要求。第四章系统调试 4.1单元调试整定调节器ACR、ASR的运放输出限幅值1) 将零速封锁器置于“解除”状态；2) 按调节器设计参数 Rn=341. 4KQ,Cn=0. 099pF、Ri=8. 7KC、Ci=2. 26pF 将 ASR、ACR接成PI调节器；3) 选择调节器任意有效输入端，分别加入正、负输入电压信号(任意小大)；4）测量ASR、ACR的输出信号大小，并适当调节各自的正、负限幅电位器（RP1 或RP2）,直至输出电压为设定限幅值（ASR为-5V,ACR为+7V）。 4.2系统调试电流环整定：1）断开电机励磁电源，电枢回路串联最大电阻450Q；2）将电流反馈（FBC+FA）输出信号Ui接入ACR输入端（“1”端），给定信号U*i 由给定单元加入ACR的另一输入端（用电流表接入电路确定极性）；2） ACR输出信号接至移相电路输入端（“Uct”）；4）接通主电源，缓慢增加给定U*i至2.5V大小，再将电枢回路串联电阻450Q 逐渐减小为零，监测电枢电流大小，并适当调节电流反馈强度（FBC+FA电位器 RP1）,使电流达到设定强度（0.7A）； 4.3转速环整定：1）将测速装置输出信号接入速度变换器输入端（FBS的端），FBS的输 出端分别接至ASR输入端“ 1 ”和DZS （零速封锁器）的“2”端；同时DZS的“1 ” 端介入给定信号U*n；2）ASR的输入“2”端接给定信号，输出端接ACR任意有效输入端，替代ACR 原有的给定信号U*i；3）接通电机励磁电源，切除电枢回路串联电阻；4）将零速封锁器置于“封锁”状态；5）加入给定U*n,使电动机空载运转，当U*n=5V时，调节FBS的反馈系数电位 器RP,使速度达到指定值（1450r/min）o 4.4系统性能测定：1）动态性能电动机空载时，突加最大给定U*n=5V,观察电枢电流id和转速n的波形，在设 计参数基础上调整ACR、ASR的PI参数，使之满足设计要求，记录id、n的波形 并计算6 i%和6 n%；记录ACR、ASR的最终整定PI参数值。经过实验调试，ACR、ASR的最终整定PI参数值为：Rn=76. 4KQCn=O. lpFRi=U. 5KQCi=4p, Fid、n的实验波形如图所示:4 6-4 45%V5%,满足系统要求。5-5 45 n%=8%10%,满足系统要求。52）静态性能在调速范围内，对应Un*WV和5/3V,分别测量2条电动机静特性曲线（每条特 性由空载点到额定负载点不少于6组数据），并7计算静差率s%。 n (r/min)Un*WV 时Id (A)0. 360. 390. 430. 500. 590. 690. 81n (r/min)1421142114201419141714161414n (r/min)1600 n1400 1200 1000 -U800 600 箜9区卜400 2000 -r00 20.40.60 8静差率 s%=An/noX100%= (1450-1418) 4-14502. 2%Un*=5/3V 时Id (A)0. 150. 180. 200. 220. 280. 360. 63n (r/min)396396396393394394392静差率 s%=An/noX100%= (410-394) 4-4103. 4%从实验数据和图标观察，Un*=5V或5/3V时，系统的静差率都较小，图形儿乎为 一条直线，转速很稳定。第五章系统评估 5. 1系统性能评价4 64 455 4由实验结果得：5 i%=1 5%5%, 5 n%10%,均满足系统要求，且系统在Un*=5V时，静差率s%R2. 2%； Un*W/3V时静差率s%3. 4%均 V5%,所以当改变负载时，系统具有很好的抗干扰性能，能够很好的克服扰动, 并且稳态时无静差。暂态相应较快，过渡时间较短，满足调速范围D=3O当电 机所加负载过重时，电枢电流能很好的抑制在最大电枢电流里以内。综上所述，整个系统整定符合设计要求。 5. 2系统误差分析理论设计值 Rn=341. 4KQ, Ri=8. 7KQ, Cn=O. 099pF, Ci=2. 26r F,实验所得值：Rn=76. 4KQ, Ri=ll. 5KQ, Cn=0. IpF，Ci=4jx FRn 的误差=(341.4-76.4) 4-341. 4X 100%=77. 6%,Ri 的误差=(8. 7-11.5) 4-8. 7X100%=32. 2%Cn 的误差=(0. 1-0. 099) -r0. 099X 100%=l. 01%Ci 的误差=(4-2. 26) 4-2. 26X100%=77. 0%o 实验中，由于人为读数有估读的情况，操作的过程中操作不规范等，导致读数 时存在一定的误差。这属于认为因素。 实验操作过程中，有系统有时不稳定的情况存在，导致表的指针有轻微摇摆，显示器不停的变化，不能静止。这属于系统误差。 实验过程中，由于实验仪器本身存在一些影响测量的因素，如电线的电阻、通 电后会有电磁场，影响电容电感等一些敏感性器件。这是实验条件下的误差。 得到实验数据以后，在建模的过程中、数据计算、处理等会有近似处理。有关 Tm的计算过程中需要求出相应部分的面积，这个过程会存在一定的误差。这是 计算误差。 选用的计算公式，本身的成立需要在满足一定的条件下才能实用。这属于系统 误差。 5.3实验中遇到的问题1) 实验中，给定信号U*i必需在加入系统前用电流表确定它的极性，如果给否 侧在实验时造成电机转速过快，电机停不下来等问题。2) 在系统调试的时候，虽然己经设计好了系统参数，实际操作时，要不停得进 行调试Rn、Cn、Ri、Ci,使之达到系统要求的条件，这个过程需要非常耐心和 认真的进行。3) 在进行系统的Mat lab仿真的时候还需要注意给定信号的限幅值，如果没有限 幅值，则仿真图形会存在失真，限幅值过小，则引起仿真图形不准确。结束语本次课程设计和以往的课堂实验有着大大的区别，分为第一次的测量实验，和 第二次的调试实验,让我收获颇丰，在第一次实验后，计算出了理论参数整定值， 但这和实际情况有很大的差别，因为实验中存在各种各样的差别和误差，理论设 计和实际情况值之间有着的差别，这才需要我们的不懈的调试，在以后我们步入 工作岗位以后，这样的情况肯定还会遇到的，所以这相当于提前锻炼了一下我们。 本次的课程设计的指导老师也是非常的认真和负责的，通过理论学习和实验指导, 让我对课本上的知识掌握的更加牢固，对系统的整定过程有了更深层次的认识和 了解。同时这次的课程设计难度也是比较大的，需要小组多个人之间的配合，经 常遇到问题，但我们多是通过本组讨论和其它组之间的讨论来解决遇到的问题。参考文献：1陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.第3版.北京：机械工业出版社，2003