【正文】 1 摘 要 本文介紹了，基于 SIEMENS 直流控制系統(tǒng)裝置，進(jìn)行的相關(guān)的直流調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計。直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速系統(tǒng)是一種通過對直流發(fā)電機(jī)輸出電壓的改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的的系統(tǒng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)中，雖然開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無極調(diào)速，但卻難以滿足生產(chǎn)工藝對靜差率與調(diào)速范圍的綜合要求。只有按反饋控制原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，才是減小或消除靜差速降的有效途 徑。閉環(huán)控制系統(tǒng)又包括單閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)。在控制過程中，系統(tǒng)既要控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)；又要控制電動機(jī)電樞電流，使系統(tǒng)在充分利用電動機(jī)過載能力的條件下或得最快的動態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個問題。 基于西門子 6RA70 直流調(diào)速系統(tǒng)裝置，從九個實驗題目來對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，通過實際操作，數(shù)據(jù)分析以及圖像的截取，來實現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析、設(shè)計，并通過 matlab 的建模與仿真探究最優(yōu)化參數(shù)，且在電動機(jī)上實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞 ：直流調(diào)速系統(tǒng)，西門子 6RA70，開環(huán)，單 閉環(huán)，雙閉環(huán)， matlab 2 目 錄 摘 要 ............................................................. 1 1 概述 ............................................................. 4 2 課程設(shè)計任務(wù)及要求 ................................................ 5 設(shè)計任務(wù) ........................................................... 5 設(shè)計要求 ........................................................... 5 3 理論設(shè)計 ......................................................... 6 方案論證 ........................................................... 6 系統(tǒng)設(shè)計 ........................................................... 6 結(jié)構(gòu)框圖 ...................................................... 6 系統(tǒng)原理圖及工作原理 .......................................... 7 單元電路設(shè)計 ....................................................... 7 單元電路工作原理 .............................................. 8 4 設(shè)計實驗題目 .................................................... 11 熟悉 6RA70直流調(diào)速系統(tǒng)的外部接線，掌握直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ............ 11 學(xué)習(xí) DriveMonitor軟件的使用方法 .................................... 11 系統(tǒng)基本參數(shù)輸入 ................................................... 12 速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)的控制參數(shù)監(jiān)視及分析 ........ 15 參數(shù)優(yōu)化 ..................................................... 15 參數(shù)監(jiān)視與分析 ............................................... 15 速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的運行 ..................................... 16 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性 ..................................... 16 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能 ..................................... 19 圖 412雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性 能 .................................... 20 圖 413雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能 .................................... 20 圖 414雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能 .................................... 21 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能 ..................................... 21 斜坡函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)定及波形調(diào)整，改變斜率觀察系統(tǒng)特性 ............ 23 參數(shù)設(shè)定與波形調(diào)整 ........................................... 23 3 系統(tǒng)特性分析 ................................................. 27 利用模擬量輸出通道 D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)系統(tǒng)電流及速度動 態(tài)響應(yīng)曲線的測試 .... 27 電機(jī)給定運行軌跡控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計 ............................... 28 .................................. 28 速度和電流環(huán) P、 I不同時的系統(tǒng)運行軌跡 ........................ 30 電機(jī)模型的辨識與參數(shù)優(yōu)化 ........................................... 39 控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真的過程 ..................................... 39 Matlab 建模與仿真 ............................................ 41 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)斷開操作 ....................................... 41 線性系統(tǒng)離散化 ............................................... 41 離散系統(tǒng)的模型辨識 ........................................... 42 離散系統(tǒng)連續(xù)化 ............................................... 45 Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析 ..................... 48 對比仿真圖像與實際圖像 ....................................... 52 5 結(jié)論 ............................................................ 55 6 使用儀器設(shè)備清單 ................................................. 56 7 收獲和體會 ...................................................... 57 8 參考文獻(xiàn) ........................................................ 58 4 1 概 述 SIMOREG DCMASTER 以其高度運行可靠性和使用性在世界范圍內(nèi)的各個工業(yè)領(lǐng)域著稱 ，其操作非常簡單，并且不需要專門的編程知識，所有設(shè)置均可通過參數(shù)設(shè)定設(shè)備進(jìn)行。參數(shù)設(shè)定也可通過 PC 的菜單提示進(jìn)行，以實現(xiàn)快速地投入運行。 西門子 6RA28/24/70 直流調(diào)速器 為全 數(shù)字式，其中， 6RA70 又具有如下特點： 電樞電流： 152021A 電樞電壓： 420485VDC 勵磁可調(diào)： SIMOREG DCMASTER 是全數(shù)字調(diào)速裝置，它接到三相交流電網(wǎng)上，并能調(diào)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)的電樞和勵磁。 優(yōu) 化 的 通 訊 技 術(shù)： SIMOREG DCMASTER 使用開放的和標(biāo)準(zhǔn)的 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通過 RS 232 接口可直接連接到 PC 和實現(xiàn)裝置對裝置通訊。 裝置與裝置間通訊：使用新穎的 BICO 技術(shù)使 SIMOREG DCMASTER 在軟件功能性方面達(dá)到一個新水平。只需 簡單的參數(shù)設(shè)定，就可實現(xiàn)功能塊的不同組合，滿足實際的應(yīng)用。 BICO 新穎的軟件解決方案使用 RS485：接口實現(xiàn)裝置與裝置間的連接，因而實現(xiàn)一個高速全數(shù)字設(shè)定值級鏈。 DriveMonitor 是實現(xiàn)對西門子傳動設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試的一個工具軟件?？梢赃M(jìn)行參數(shù)設(shè)定 , 故障分析和跟蹤記錄等功能。 主要功能包括： 參數(shù)設(shè)定、 裝置診斷、 參數(shù)備份和刷新、 數(shù)據(jù)記錄跟蹤、參數(shù)比較等。 通過西門子 6RA70 直流調(diào)速系統(tǒng)裝置，探究直流調(diào)速系統(tǒng)。 5 2 課程設(shè)計任務(wù)及要求 設(shè)計任務(wù) （ 1） 學(xué)會使用 SIMENS 直流控制系統(tǒng)裝置。 （ 2）確定控制系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)的原理圖和方框圖，并使用 SIMENS 直流控制系統(tǒng)裝置完成自動控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。 （ 3） 撰寫課程設(shè)計報告 設(shè)計要求 （ 1）熟悉 SIEMENS 直流調(diào)速系統(tǒng) 6RA70 的外部接線； （ 2）熟悉并學(xué)會使用 SIEMENS 直流控制系統(tǒng)裝置； （ 3）按照要求確定自動控制系統(tǒng)方案； （ 4）畫出系統(tǒng)的原理電路圖和方框圖； （ 5）學(xué)習(xí) Drive Monitor 軟件的使用方法 （ 6）掌握 SIEMENS 直流控制系統(tǒng)裝置的各種參數(shù)設(shè)定方法； （ 7）設(shè)計出相應(yīng) 的系統(tǒng)配置并完成調(diào)試； （ 8）撰寫課程設(shè)計報告。 6 3 理論設(shè)計 方案論證 為了滿足工業(yè)自動化對電氣傳動系統(tǒng)越來越高的性能要求，西門子公司1999 年隆重推出了新型的直流驅(qū)動產(chǎn)品 6RA70，它廣泛適用于各個工業(yè)領(lǐng)域，諸如印刷機(jī)械、起重機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)和提升機(jī)械、電梯及有軌纜車傳動，橡膠、造紙和鋼鐵工業(yè)中的傳動，剪切機(jī)，校直機(jī)和卷取機(jī)、軋機(jī)的主傳動，橫向剪切或薄膜機(jī)傳動以及其他特殊應(yīng)用場合。與西門子公司的前代直流驅(qū)動裝置相比，6RA70 的特性從機(jī)械結(jié)構(gòu)到軟件特點都有重大突破。它采用了與 西門子交流驅(qū)動產(chǎn)品一致的電子箱，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加緊湊，模板可以自由配置，安裝方便簡單，6RA70 系列單機(jī)電流可達(dá) 2 000 A，裝置與裝置可以直接并聯(lián)，擴(kuò)展電流可達(dá)12 000 A。全部的 6RA70 直流驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)單象限或四象限運行，供電電壓等級為 400 V、 575V、 690V 和 830V，電樞電流范圍 15～ 2 000 A，勵磁電流范圍 3～ 40 A，過載能力可達(dá) 150%，也可以提供成柜裝置，即接即用。 系統(tǒng)設(shè)計 結(jié)構(gòu)框圖 圖 31 單 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 7 圖 32 雙 閉環(huán)控 制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)原理圖及工作原理 圖 33 系統(tǒng) 原理 圖 單元電路設(shè)計 8 單元電路工作原理 （ 1）速度調(diào)節(jié)器電路 圖 34 速度調(diào)節(jié)器電路圖 速度調(diào)節(jié)器電路圖如圖所示，其工作原理為：通過設(shè)定 P621， P622， P623，P624 的值來控制速度調(diào)節(jié)器的給定值與反饋值，從而得到偏差值，進(jìn)而實現(xiàn)速度的開環(huán)控制或者閉環(huán)控制。同時可以通過設(shè)定 Kp 和 Tn 的參數(shù)使調(diào)機(jī)器工作在最佳狀態(tài)。 （ 2）電流調(diào)節(jié)器電路 9 圖 35 電流調(diào)節(jié)器電路圖 電流調(diào)節(jié)器電路圖如圖所示，電流調(diào)節(jié) 器通過得到給定值與反饋值的偏差來實現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)。通過改變 P 值來控制電流調(diào)節(jié)器的給定與反饋，如果是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以通過設(shè)定 P602 的值來改變是否與反饋。 （ 3）振蕩、方波發(fā)生器電路 圖 36 振蕩、方波發(fā)生器電路圖 振蕩、方波發(fā)生器原理圖如圖所示，通過設(shè)定 P480， P481， P482， P483 的參數(shù)值來改變方波的波形。通過設(shè)定 P485 的值為 1 是方波發(fā)生器作為輸入。 （ 4）斜坡函數(shù)發(fā)生器電路 圖 37 斜坡函數(shù)發(fā)生器電路圖 斜坡函數(shù)發(fā)生器電路圖如圖所示，通過設(shè)定 P633， P634， P635， P636， P637，P638， P639， P640， P641,P646 的參數(shù)改變斜坡函數(shù)發(fā)生器的功能。 10 （ 5）電流限幅電路 圖 38 電流限幅電路圖 （ 6）轉(zhuǎn)矩限幅，速度限幅調(diào)節(jié)器電路 圖 39 轉(zhuǎn)矩限幅，速度限幅調(diào)節(jié)器電路圖 11 4 設(shè)計實驗題目 實驗題目： （ 1）熟悉 6RA