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基于PLC的直流数字调速系统设计.doc
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基于PLC的直流数字调速系统设计.doc
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第一章 绪论...................................................................2
1.1 直流调速系统的发展史概述..............................................2
1.2 PLC 在电机调速中的应用 ................................................2
1.3 PLC 的特点 ............................................................2
1.4 课程的背景、目的及意义................................................3
第二章 系统总体设计及算法模型确定.............................................4
2.1 系统总体设计..........................................................4
2.2 电流调节器的设计......................................................5
1.电流环调节器设计原理................................................5
2. 电流环结构的简化...................................................5
3.电流调节器的结构选择...............................................6
4.电流控制程序........................................................8
2.3 转速调节器的设计......................................................9
1.电流环的等效传递函数...............................................9
2.转速调节器结构的选择..............................................10
3.转速调节器的参数选择..............................................11
4.最后校核一下要求的性能指标........................................12
5. 转速控制程序......................................................12
第三章 双闭环直流调速系统仿真................................................12
3.1 电流环系统仿真 .......................................................13
1.电流环仿真模型.....................................................13
2.仿真结果...........................................................13
3.2 转速环系统仿真 .......................................................16
1.转速环仿真模型.....................................................16
下面就转速环设计举例,建立转速环仿真模型如下图 9 所示。 ..............16
2 仿真结果 ...........................................................16
3.3 系统仿真.............................................................18
1.系统动态结构图(图 13) ............................................18
2 .系统仿真模型(图 14) .............................................19
3 系统仿真曲线(图 15) ..............................................19
2
第一章 绪论
1.1 直流调速系统的发展史概述
电机调速的发展与电力电子技术的发展是不可分离的,电机调速和电力电子技术相互结
合,相互促进,实现了现代的电气传动控制:一弱点检测、判断并发出控制信息,用强电来
执行控制的使命。从这个角度上看,可以说,现代电气控制技术是强电与弱点相结合的技术。
早期的电机控制只是利用电器来控制电动机的启动、制动、正反转和分级调速。随着技
术的进步,生产工艺对电机控制提出了越来越高的要求,诸如精确稳定的运行速度、无极调
速、快速反向、准确定位等等。直流电机变压和弱磁调速可以比较好的满足这些要求,于是
诞生了旋转变流机组供电的直流调速系(Ward-Leonard 系统),简称 G-M 系统。对调速性能
要求再高时,则引入电机型放大器、磁放大器、电子放大器等放大装置进行反馈控制。到上
世纪五十年代,机组供电直流调速系统的控制技术发展到了巅峰的阶段,也正是它的缺点暴
露的最充分的时候:它的设备多、体积大、费用高、效率低、安装须地基、运行有噪音、维
修不方便等等日益称为生产上的负担。为了解决这些矛盾,人们开始采用水银整流器和闸流
管等静止变流装置来代替旋转变流机组,形成所谓的离子传动控制系统。1957 年,可控的
半导体器件-晶闸管问世,由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能上还是在可靠性
上都具有明显的优势,60 年代成了晶闸管的时代,这种静止式变流装置供电的直流调速系
统称为晶闸管-电动机调速系统(简称 V-M 系统)。70 年代以来,国际上电力电子技术突飞
猛进,推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件,如门极可关断晶闸管
(GTO)、大功率晶体管(GTR)、场效应晶闸管(P-MOSFET)等,自从全控型电力电子器件问
世以后,就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了脉宽调制变换器-直流电
动机调速系统,简称直流脉宽调速系统,或直流 PWM 调速系统。
1.2 PLC 在电机调速中的应用
可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置,是船舶实现自动化、智能化控制的核心控
制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,采用模块式组合设
计,具有控制功能强,可靠性高、使用灵活方便,易于扩展而且PLC系统开发简单、编程容
易、抗干扰能力强、适合在工业环境下工作,故而只要合理设计,降低成本,它将会受到现
场技术人员的欢迎。,在船舶主机遥控系统、锅炉控制系统中央冷却控制系统等重要设备上
得到了广泛应用。
在本课题所进行的双闭环调速系统设计中,采用PLC作为系统的主控器件。之所以选择
用PLC来实现系统的控制思想,是因为PLC有较高的易操作性,它具有编程简单,操作方便,
维修容易等特点。除上述优点外,PLC具有超强的稳定性和长时间连续工作的能力,因而,PLC
是为工业生产过程控制化专业设计的控制装置,具有比通用计算机控制更简单的编程语言和
更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言,编程出错率大大降低。
1.3 PLC 的特点
1. 编程方法简单易学
梯形图是使用最多的 PLC 编程语言,其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似,
梯形图语言形象可观,易学易懂,熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以
熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序
[6][17]
。
3
2. 可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术,采用严
格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司
生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障
工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说,使用 PLC 构成控制系统,和同等规模的继电接触
器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,
PLC 带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者
还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊
断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
3. 配套齐全,功能完善,适用性强
PLC 发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的
工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力,可用于各
种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现,使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、
CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用 PLC 组成各
种控制系统变得非常容易。
4. 易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC 作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易
于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用
PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、
不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
1.4 课程的背景、目的及意义
电机自动控制系统广泛应用于机械,钢铁,矿山,冶金,化工,石油,纺织,等行业。
这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机,提高其运行性能,
对国民经济具有十分重要的现实意义。
20 世纪 90 年代前地大约 50 年的时间里,直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能
拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交,为控制提供了便
捷的方式,使得电动机具有优良的启动,制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到
交流电动机及其他电动机的挑战,但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置
伺候控制首选。因为它具有良好的线性特征,优异的控制性能,高效率等优点。直流调速仍
然是目前最可靠,精度最高的调速方法。
本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设
计和控制,设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。并应用 MATLAB 软件对
设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。
4
第二章 系统总体设计及算法模型确定
2.1 系统总体设计
直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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,且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压
决定了电流给定电压的最大值;电流调节器 ACR 的输出限幅电压 限制了电力电子变换器
的最大输出电压 。
由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机
的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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,这就形成了转速、电
流双闭环调速系统。
如图 1 所示:
图 1 直流双闭环调速系统
为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器。这样构
成的双闭环直流调速系统。
其原理图如图 2 所示:
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