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晶閘管雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計-wenkub.com

2024-11-26 13:19 本頁面
   

【正文】 在 這里 我要 非常感謝 悉心教導(dǎo)我的苗峰老師和幫助過我的同學(xué),他們都是我人生當(dāng)中的一筆財富 ,我會好好好珍惜。 經(jīng)過學(xué)習(xí)和工作,我努力完成了本次的設(shè)計與仿真。通過仿真可知:啟動時,讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用,電流內(nèi)環(huán)起主要作用,調(diào)節(jié)啟動電流保持最大,使轉(zhuǎn)速線性變化,迅速達(dá)到給定值;穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用,使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化,電流內(nèi)環(huán)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。從啟動時間上看,第二階段恒流升速是主要的階段,因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動,利用了飽和非線性控制方法,達(dá)到 “ 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 ” 。 30 圖 61 電流環(huán)數(shù)學(xué) 仿真模型 圖 62 電流環(huán) 仿真 波形 經(jīng)化簡和 相關(guān)計算校 正 成典型 Ⅱ型 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速 環(huán) 動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 , 在 Simuink 中搭建好仿真模型如圖 63所示, 產(chǎn)生的 仿真波形如圖 64所示 。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模,它也支持多速率系統(tǒng),也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的 采樣速率。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大 數(shù)學(xué) 軟件。 根據(jù)本電路形式查得 2K =, 28 所以 diISUKL 222 ? = 10% 55? ? = 3)電動機(jī)電感量 DL 和變壓器漏電感量 TL 電動機(jī)電感量 DL (單位為 mH)可按下式計算 3102 ?? DDdD pnIUKL ( 58) 式中 DU 、 DI 、 n-直流電動機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速,常用額定值代入; p-電動機(jī)的磁極對數(shù); DK -計算系數(shù)。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的,因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。選擇過大又會造成延遲角α加大,功率因數(shù)變壞,整流元件的耐壓升高,增加了裝置的成本。 5 單元模塊設(shè)計 晶閘管元件的選擇 選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 TMU 和額定電流 )(AVTI 對于 本設(shè)計采用的是三相橋式整流電路,晶閘管按 1 至 6 的順序?qū)?,在阻感?fù)載中晶閘管承受的最大電壓 226 2 .4 5RMU U U??, 而考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素 , 還 要 放寬 2 ~ 3 倍 的 安 全系 數(shù) , 則 晶 閘 管額 定 電 壓 TMU 計算結(jié)果: KVUU RMTM 0 0 ~3 3 7 2 . 8 9 )3~2()3~2( ????? , 取 V2021 。 FkRC nnn ?? ???? ,取 F? FkC on ?140 ????? ,取 1 F? 。 4)檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為: 1 516. 1 96 2Nc n N nKWKW ?? ? ? ? ? ?。 23 5)計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 取運(yùn)算放大器的 0R =40?k ,有 0RKR ii ?? =?40=?k ,取 45?k , 13 3 9645iiiCFRk? ?? ? ??,取 F? , FkRTC oioi ? 0 0 0 ????? ,取 F? 。 4)校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ciW = IK = 1?S 。設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)如式 (4): )12( 1)( ?? sssW obj ( 4) 若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器僅僅是一個比例環(huán)節(jié),若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器必須含有一個積分環(huán)節(jié),并帶有一個比例微分環(huán)節(jié),以便消除被控對象的一個慣性環(huán)節(jié),故調(diào)節(jié)器采用如式 (5)的 PI 調(diào)節(jié)器。 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 可表示為 ? ?? ?? ???????? nijrmjjsTssKsW1111? 根據(jù) W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱為 0 型、Ⅰ型、Ⅱ型??系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器在調(diào)速系統(tǒng)中的作用 : 1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓 的變化;穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差,如果采用 PI 調(diào)節(jié)器,則可實(shí)現(xiàn)無靜差; 2) 對負(fù)載變化起抗擾作用; 3) 其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。 為了解決上述問題,就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以滿足系統(tǒng)的需要。因轉(zhuǎn)速環(huán)包圍電流環(huán),故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電動機(jī)軸上裝一臺測速發(fā)電機(jī) , 引出與轉(zhuǎn) 速成正比的電壓與給定電壓比較后 , 得偏差電壓 , 經(jīng)放大器 , 產(chǎn)生觸發(fā)裝置的控制電壓 , 用以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 , 如圖 31 所示。 2. 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化也會 對 轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動 。 利用飽和非線性的控制 方法 , 用來 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 , 這 是非常 具有 實(shí)用價值的控制策略, 并且 在各種多環(huán)控制中 都有應(yīng)用 。但是事實(shí) 上, 運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)永遠(yuǎn)達(dá)不到 無窮大 ,所以, 表示 靜特性的兩段實(shí)際曲線與 理論值 存在 一個 很小的偏差,如下圖 2— 6中 的 虛線 圖 。 但是 通常都不小于 額定電流 , 這就是靜特性的運(yùn)行段, 由 圖 也 可 觀察 它 就是一條水平的 特性。 通常,正常運(yùn)行狀態(tài) , 為了 保持電路 安全 , 電流調(diào)節(jié)器 一直 都 處于 不 飽和狀態(tài)。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù),還能抗電網(wǎng)電壓擾動 ,可以在電動機(jī)轉(zhuǎn)速還沒 受到影響 的 時候 ,很快 將 電流 值調(diào)整為 設(shè) 定值 ,由此 可 使速度能夠 更好 的 穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下 。觀察上圖,兩個 調(diào)節(jié)器 按 一定規(guī)則 進(jìn)行 串級 聯(lián) 接,把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作 為 電流調(diào)節(jié)器的輸入, 再 將電流調(diào)節(jié)器的輸出 來 控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置 ,由 閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知 , 雙閉環(huán)由 內(nèi) 環(huán)和外環(huán) 兩部分 組成,其中電流調(diào)節(jié)環(huán) 稱 為內(nèi)環(huán) , 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié) 環(huán) 稱 為外環(huán) , 這樣就 構(gòu)成 簡單的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 總之, PI調(diào)節(jié)器 作為控制器時既能 實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng), 又能 實(shí)現(xiàn) 無 靜 差調(diào)節(jié) 。觀察下圖,兩個 調(diào)節(jié)器 按 一定規(guī)則 進(jìn)行 串 級 聯(lián) 接,把 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出 作 為 電流調(diào)節(jié)器的輸入, 再 將電流調(diào)節(jié)器的輸出 來 控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置 ,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器 和 電流調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限 幅作用 的, 其中 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 ASR的 輸出限 幅電壓,這個限幅 電壓值決定了電流給定電壓的最大 值 ,而電流 調(diào)節(jié)器 ACR的 輸出限 幅值, 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 事實(shí) 上 大多 數(shù) 控制 系統(tǒng) 的 動態(tài)性能 指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn) 不盡相同 , 需要具體問題 具體分析 ,必須由機(jī)械 生產(chǎn) 的具體要求來確定 。 二、抗擾性能指標(biāo) 調(diào)速 系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài) 運(yùn)行 過程中 ,突加負(fù)載后 階躍 響應(yīng) 的 動態(tài)過程 的變化 情況 作為系統(tǒng) 的 抗擾過程,由此定義抗擾動態(tài)性能指標(biāo),如 圖 2— 3 抗擾性能指標(biāo) 包括 兩點(diǎn),一 是動態(tài)降落, 二是 恢復(fù)時間。 1)上升時間 圖 2— 2 為 單位階躍響應(yīng)曲線圖 ,在上面 論述的 階躍響應(yīng)跟隨過程中,輸出量從零從第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所需要的時間定義為動態(tài) 響應(yīng)的 上升時間,它的 大小代表 著 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性,該 值越小 表示 系統(tǒng) 的 響應(yīng)速度越快。 一、跟隨性能指標(biāo) 在給定 信號(或 參考輸入信號) R(t)的作用下,系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況 會 隨著輸入 的變化而變化, 可 用跟隨性能指標(biāo)來描述, 它的特征就是 服從 給定,緊緊跟隨給定。在 100r/min 時也降落 10r/min,就占 10%;而 在 1000r/min 時降落 10r/min,只占 1%, 此時系統(tǒng) 仍存在較大 轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng) 在某以轉(zhuǎn)速下 工作時,電動機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值 所 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速 之 比 ,表達(dá)式 如下 : %1 0 0%1 0 0 000 ?????? n nnnns eded ( 2— 3) 由此 可得 , 機(jī)械特性越硬 , 那么 越小,靜差率就越小,轉(zhuǎn)速 就 越穩(wěn)定 。 為 了 更好 的定量分析 ,電力傳動自動控制系統(tǒng)是 在 最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 , 這樣 直流靜態(tài)性能指標(biāo)的討論才有 實(shí)際意義,并且強(qiáng)調(diào) 在不同 的轉(zhuǎn)速工作時 ,速度 要求處于穩(wěn)定, 而動態(tài)性能 指標(biāo)要求系統(tǒng)既有 良好的 啟、制動性能,又 要 有 良好的抗擾動能力。弱磁調(diào)速 的 優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速,缺點(diǎn)是 范圍不大 , 幾乎不 單獨(dú)使用 , 往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用,在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。就閉環(huán)控制系統(tǒng)而言 ,它 是 學(xué)習(xí) 交流調(diào)速系統(tǒng)的 理論 基礎(chǔ)。 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容 本設(shè)計從直流電機(jī)的調(diào)速原理開始 學(xué)習(xí) ,并建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,詳細(xì)分析 系統(tǒng)的 工作 原理 和 動態(tài)特性 。同時與自動控制理論的動態(tài)校正方法 進(jìn)行對比,總結(jié) 出 設(shè) 此 計方法的優(yōu) 勢 。 研究 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 采用轉(zhuǎn)速 、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 能 獲得 較為 滿意的的 調(diào)速效果 。 參數(shù)估值以及控制算法 相關(guān)理論和方法逐漸成熟,使 現(xiàn)代控制理論 的 應(yīng)用 可得到 很好的調(diào)節(jié) 效果。到最后 一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼 布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的 原理和方法 確立 起來 ,這 也 標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成。 1954 年 之后 的 10 年 內(nèi) ,美國學(xué)者 ,并將 其 應(yīng)用在控制過程當(dāng) 中 ,他的這些研究成果也處理了空間技術(shù)中很多復(fù)雜控制問題,并開創(chuàng) 出 一個 新的領(lǐng)域 :最優(yōu)控制理論 。 現(xiàn)代控制理論是在 20 世紀(jì) 50 年代中期迅速興起的空間技術(shù)的推動下發(fā)展起來的,它 是人類在 控制技術(shù)問題上的 重大 進(jìn)步 。 這種大功率晶體管是 全控型器件, 既能控制導(dǎo)通又能控制 其 關(guān)斷 ,有 良好的控制性能和穩(wěn)定性能 , 晶體管脈寬調(diào)制( PWM)直流調(diào)速系統(tǒng) 就是由大功率晶體管為基礎(chǔ)構(gòu)成 的 ,由于大功率 晶體管的優(yōu)勢 使這種 調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動中 的 使用 愈 來愈 廣泛 。 目前電力電子器件 正向 耐 高壓,大功率,高頻化和智能化方向發(fā)展 , 為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了硬件 保證 。 這樣 的整流方式與傳統(tǒng)的汞弧 整流方法 相比,體積較 小, 可靠性 較 高 ,而且 有著 十分明顯的節(jié)能效果( 一般 可節(jié) 電 20%左右,從中國的實(shí)際看,因風(fēng)機(jī)的實(shí)際看,風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占全國用電量 的 1/3,若采用 交流電機(jī)調(diào)速傳動,可節(jié)約 20%以上,每年可節(jié)電 400 億千瓦 時) , 因此電力電子技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的重視。 由 電機(jī)的 機(jī)械特性理論方程 上看 ,要 想改變的電機(jī)的機(jī)械特性, 一是 改變電動機(jī)的參數(shù) , 二 是 改變外加工電壓 ,從而 能轉(zhuǎn)移 電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn) ,使電機(jī)的穩(wěn) 態(tài) 運(yùn) 行 速度發(fā)生 改變 , 即 人為 方式 或 系統(tǒng) 自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,以滿足 工業(yè) 生產(chǎn)的 需 求。 1990 年 左右 , 交流籠型電動機(jī)問世 ,其結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用 , 在 工業(yè) 生產(chǎn) 日益提高的年代發(fā)展迅速。當(dāng)今直流 電 機(jī)的 發(fā)展 是朝著 基于 微機(jī)控制的, 具有精度 高 、大范圍 的 全數(shù)字的直流調(diào)速系統(tǒng) 。 到 1870 年,第二次 工業(yè)革命爆發(fā) 使經(jīng)濟(jì)迅速 發(fā)展 ,當(dāng)時的社會迫切需要更加優(yōu) 質(zhì)的直 流電機(jī) 進(jìn)行 工業(yè)生產(chǎn) 。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)二者 兼顧 , 它 具有 較為滿意 的 調(diào)速 性能和 抗擾性能。直流 電機(jī) 控制具有很 高的精確性 、穩(wěn)定性和較高 的抗擾性能 等優(yōu)點(diǎn) , 而且 直流電機(jī)的 發(fā)展 理論 也較 為 成熟, 故如今直流調(diào)速非常 可靠,它的應(yīng)用 也相當(dāng) 廣泛 。 Current regulator。 MATLAB 是目前流行的控制系統(tǒng)仿真軟件,使用 MATLAB 軟件對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計和分析,有利于選擇參數(shù)和設(shè)計的最合理的系統(tǒng)方案。1 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 晶閘管雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 院 (系) 名 稱 物理與電子信息學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 電氣工程及其自動化(過程控制方向)
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