毕业设计论文-基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计

毕业设计论文-基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计内容摘要：

2 ,3 ,6 ,12 „ 其数目总是有限的 ,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。 因此 ,除非主电路电感 L = ∞,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响 ,主要有 :(1) 脉动电流产生脉动转矩 ,对生产机械不利。 (2)脉动电流 (斜波电流 ) 流入电源 ,对电网不利 ,同时也 增加电机的发热。 并且 晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外 ,还含 有交流分量。 把交流分量引到运算放大器输入端 ,不仅不起正常的调节作用 ,反而会产生干扰 ,严重时会造成放大器局部饱和 ,从而破坏系统的正常工作。 方案二采用双闭环转速电流调节方 法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺 要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。 在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 方案选择 ，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。 ，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。 为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。 所以本文选择方案二作为设计的最终方案。 直流 调速系统的原理 直流调速系统的调速原理 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管 —直流电动机 (V— M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。 它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础。 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动太原科技大学毕业设计（论文） 9 系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。 直流电动机的转速和其它参 量的关系和用式（ 3— 1）表示 eKIRUn （ 31） 式中 ： n 为电动机转速， U 为电枢供电电压， I 为电枢电流， R 为 电枢回路总电阻，单位为  ， eK 为 由电机机构决定的电势系数。 在上式中， eK 是常数，电流 I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法： （ 1）调节电枢供电电压 U ； （ 2） 减弱励磁磁通  ； （ 3） 改变电枢回路电阻 R。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。 改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。 直流调速系统的性能指标 根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。 静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要 求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。 抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。 静态性能指标 1） 调速范围 生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速 maxn 与最低转速 minn 之比，称为调速范围，用符号 D 表示 minmaxnnD （ 3 2） 2） 静差率 太原科技大学毕业设计（论文） 10 静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数 s 来表示。 具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空 载增加到额定值时，对应的转速降落 edn 与理想空载转速 0n 之比，用百分数表示为 %100%100 000  n nnnns eded （ 33） 显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大， edn 越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。 然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。 两条 相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。 对于图 中的线 1 和线 2，它们有相同的转速降落 1edn = 2edn ，但由于02 01nn ，因此 21ss。 这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。 在 1000r/min 时降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 时也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。 由图 可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率 s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。 图 不同转速下的静差率 事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。 脱离了对静差率的要求。 任何调速系统都 可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。 2 动态性能指标 生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。 自太原科技大学毕业设计（论文） 11 动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。 1) 跟随性能指标 在给定信号（或称参考输入信号） ()tR 的作用下，系统输出量 ()tC 的变化情况可用跟随性能指标来描述。 当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一 样。 通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。 一般希望在阶跃响应中输出量 ()tC 与其稳态值 C 的偏差越小越好，达到C 的时间越快越好。 常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、 超调量和调节时间： (a）上升时间 rt 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第 一次上升到稳态值 C 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图。 图 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 (b）超调量  ﹪ 在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量： %100% m a x c cc （ 34） 超调量反映系统的相对稳定性。 超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 (c）调节时间 st 调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。 原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。 对于线性控制系统来说，理论上太原科技大学毕业设计（论文） 12 要到 t 才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。 因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取 5 ﹪ (或 2 ﹪ )的范围作为允许误差带，以响 应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间。 2) 抗扰性能指标 一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图。 常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间： 图 典型的抗扰过程 (a）动态降落 maxC ﹪ 系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰 动）后引起转速的最大降落值 maxC ﹪ 叫做动态降落，用输出量原稳态值 1C 的百分数来表示。 输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值  212 ,   ccc 是系统在该扰动作用下的稳态降落。 动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。 调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落 maxn ﹪。 (b）恢复时间 ft 从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值 2C 之差进入某基准量 bC 的 5 ﹪ (或 2 ﹪ )范围之内所需的时间，定义为恢复时间 ft ，其中 bC 称为抗扰指标中输出量的基准值。 实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。 太原科技大学毕业设计（论文） 13 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 双闭环调速的工作过程和原理 双闭环调速系统的工作过程和原理 : 电动机在启动阶段 ,电动机的实际转速 (电压 )低于给定值 ,速度调节器的输入端存在一个偏差信号 ,经放大后输出的电压保持为限幅值 ,速度调节器工作在开环状态 ,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器 , 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号 ,直流电压迅速上升 ,电流也 随即增大直到等于最大给定值 , 电动机以最大电流恒流加速启动。 电动机的最大电流 (堵转电流 )可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。 在电动机转速上升到给定转速后 , 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零 ,速度调节器和电流调节器退出饱 和 状态 ,闭环调节开始起作用。 对负载引起的转速波动 ,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器 、 电流调节器来修正触发器的移相电压 ,使整流桥输出的直流电压相应变化 ,从而校正和补偿电动机的转速偏差。 另外电流调节器的小时间常数 , 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速 调节 ,可以在电动机转速还未来得及发生改变时 ,迅速使电流恢复到原来值 ,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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。 两者之间实行嵌套连接，如图 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电子变换器 UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、 电流双闭环调速系统。 图 转速、电流双闭环直流调速系统 原理图 太原科技大学毕业设计（论文） 14 其中： ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器 nU 转速给定电压 Un转速反馈电压 iU 电流给定电压 iU 电流反馈电压。 双闭环直流调速系统的静特性分析 分析静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征，一般 存在两种状况 ：饱和 —— 输出达到限幅值，不饱和 —— 输出未达到限幅值。 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。 当调节器不饱和时， PI的作用使输入偏差电压Δ U在稳态时总为零。 图 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。 因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 (1)．转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输 入偏差电压都是零，因此， 0nnU U n n      （ 35） i i dU U I    （ 36） 由式 （ 35） 可得： 0nUnn （ 37） 从而得到图 所示静特性曲线的 CA 段。 与此同时，由于 ASR 不饱和， iU imU可知 dI dmI ，这就是说， CA 段特性从理想空载状态的 Id=0 一直延续到 dI = dmI。 而 dmI太原科技大学毕业设计（论文） 15 一般都是大于额定电流 dnI 的。 这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。 (2)．转速调节器饱和 这时， ASR 输出达到限幅值 imU ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。 双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。 稳态时：。