自動控制原理課程設(shè)計---高壓變頻技術(shù)在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、<p>　　1 現(xiàn)場工藝簡介1.1 水泥生產(chǎn)工藝</p><p>　　水泥的生產(chǎn)步驟，可分為以下八個步驟：　　原料的提?。ú傻V）——原料的破碎——原料的儲存和預(yù)均化——原料的粉磨（球磨機(jī)）——生料的均化和儲存——煅燒（生料通過旋風(fēng)筒預(yù)熱后再進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯烘烤物料，煅燒成熟料）——水泥的粉磨（根據(jù)水泥的品質(zhì)，混合其他的化學(xué)原料粉磨）——水泥 的儲存與運(yùn)輸</p><p>　　其中物

2、料的粉磨工藝流程是：</p><p>　　電動機(jī)通過減速機(jī)帶動磨盤轉(zhuǎn)動，物料從下料口落到磨盤中央，在離心力的作用下向磨盤邊緣移動并受到磨輥的碾壓，粉碎后的物料離開磨盤，被高速向上的氣流帶至與立磨一體的分離器，粗粉經(jīng)分離器后返回到磨盤上，重新粉磨；細(xì)粉則隨氣流出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置中收集下來?！　∈諌m風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（收塵器所需風(fēng)量）主要由管磨機(jī)內(nèi)工藝情況（產(chǎn)量及粉的細(xì)度）決定</p><p>

3、　　圖1-1 水泥生產(chǎn)工藝圖</p><p>　　2 收塵風(fēng)機(jī)的選擇 收塵機(jī)參數(shù)： 電動機(jī)參數(shù)： 熱變電阻柜參數(shù)： 變頻器技術(shù)指標(biāo)：型號：Y4-73 No31.5F 型號：Y6304-8 型號：HTR 5-2 型號：Harsvert-A06/220流量：456200m3/h 額定電壓：6000V 額定功率：470KW 輸入電壓：6000V風(fēng)壓：352kPa 額定電流：55A軸轉(zhuǎn)速：900r/min

4、 額定頻率：50Hz</p><p>　　3 各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分析</p><p>　　變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分析不象直流調(diào)速系統(tǒng)那樣概念清楚，解析直觀，其推導(dǎo)過程相當(dāng)復(fù)雜，只能借助于計算機(jī)去求解。為了簡化推導(dǎo)過程，做了理想化假設(shè)：</p><p>　　1.異步電動機(jī)為理想的電機(jī)，即無鐵耗、無風(fēng)阻、無磨擦、各相磁勢是正弦量，對應(yīng)某頻率時電機(jī)所有參量為常量。</p

5、><p>　　2.可控硅整流器和電抗器組成一個理想的可調(diào)電流原，其阻抗為無窮大。</p><p>　　3.把逆變器看作一個理想開關(guān)，即假設(shè)其膦理想變頻電流源。</p><p>　　4.設(shè)給定不變，系統(tǒng)工作于某頻率。</p><p>　　5.動態(tài)時恒壓頻比關(guān)系仍存在，即氣隙磁通始終保持不變，由于系統(tǒng)設(shè)置了微分校正環(huán)節(jié)，所以這種假設(shè)是成立的。<

6、/p><p>　　由于作了以上假設(shè)，對于圖1的系統(tǒng)，電壓和頻率是協(xié)調(diào)工作的兩個通道，這樣就可以在分析電壓環(huán)時，不考慮頻率通道。此時，函數(shù)發(fā)生器的輸出電壓相當(dāng)于在變頻調(diào)速中為保證電機(jī)恒壓頻比所需要的電壓。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流給定值，控制電流閉環(huán)?？梢哉J(rèn)為依靠電流和電壓的反饋調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而得到近似直流電動機(jī)調(diào)電樞電壓調(diào)速時的特性。</p><p>　　3.1 電流源動態(tài)傳遞函數(shù)&

7、lt;/p><p>　　逆就器給異步機(jī)供電時，對于120度導(dǎo)電型同時有兩個可控硅導(dǎo)通，整流器也是如此，電流基本上總是同時流過整流變壓器的電動機(jī)，如所示。</p><p>　　圖3-1 變流器對電動機(jī)供電的等效電路圖</p><p>　　顯然此環(huán)節(jié)輸入量電壓Ud，輸出量是I1，其動態(tài)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-1）&l

8、t;/b></p><p><b>　　其中 </b></p><p>　　反饋信號為電壓時電機(jī)等效傳遞函數(shù)從異步電動機(jī)的等值電路可得到：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　由前假設(shè)可知，在額定負(fù)載時，歸算過來的轉(zhuǎn)子電路基本上成為電阻性的，所以轉(zhuǎn)子電路功率因

9、數(shù)很高，在滿載情況下，Im可以忽略，這時有</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　在電流型逆變器中，逆變器的可控量是異步電動機(jī)的定子電流。根據(jù)（3-3）式知道，確定了定子電流就確定了轉(zhuǎn)子電流，也就確定了轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　由于，所以異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩</p><p><b>

10、　　（3-4）</b></p><p>　　根據(jù)電動機(jī)機(jī)械運(yùn)動方程式并考慮到（3-4）式可得</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　又有U1≈E1=Keφn 代入上式得</p><p>　　對上式兩邊取拉氏變換即可得到電機(jī)的等效傳遞函數(shù)：</p><

11、p>　　（I1-Ifz）（S）=TmU1（S）S</p><p>　　即 （3-6）</p><p>　　其中 ，是電動機(jī)積分時間常數(shù)。</p><p>　　3.2 可控硅及觸發(fā)電路傳遞函數(shù)</p><p>　　可控硅及觸發(fā)

12、電路的傳遞函數(shù)和直流整流系統(tǒng)一樣。整流器的整流電壓是輸出量，電流調(diào)節(jié)器輸出即觸發(fā)器的控制電壓Uk是輸入量，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　W（S）=Ks/（1+TsS）</p><p>　　其余反饋五一節(jié)的傳遞函數(shù)和直流系統(tǒng)一樣。通過以上各環(huán)節(jié)動態(tài)傳遞函數(shù)分析，我們可以畫出整個電壓通道的的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。顯然該系統(tǒng)為雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。</p>

13、;<p>　　從以上分析可見，基本思想是將異步機(jī)分析直流化。對于籠形電動機(jī)，它的勵磁電流和有效電流均由定子電流產(chǎn)生，這里是忽略了勵磁電流的影響，僅考慮其有效電流，它相當(dāng)于直流電動機(jī)的電樞電源電流，從而得到與直流相近似的傳遞函數(shù)</p><p>　　圖3-2 電壓通道的的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的工程設(shè)計方法及舉例</p><p&g

14、t;　　由以上分析可見，變頻調(diào)速系統(tǒng)的電壓通道是和直流機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相似的雙閉環(huán)系</p><p>　　統(tǒng)，因此其調(diào)節(jié)器的設(shè)計完全可以套用直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法。現(xiàn)以軋機(jī)輥道傳動交流電機(jī)變頻可逆調(diào)速系統(tǒng).為例進(jìn)行說明，系統(tǒng)組成如圖1-1所示，相應(yīng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。</p><p>　　系統(tǒng)參數(shù)為：異步電動機(jī)為JG2-52-13，20臺并聯(lián)，Ped=4×20，留余量取100KW

15、；Ued=380V；Ied=11.4×20，取250A；ned=630r/min；f=50HZ；Y形接法；實(shí)測電機(jī)（帶輥道）轉(zhuǎn)動慣量GD2=20kgm2；rd=0.5Ω，Ld=10Mh；r1+r2′=2.5Ω；L1+L2′=7.04Mh；2rB=0.25Ω；LB=0.14mh。給定值、電壓調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器限幅值及對應(yīng)電壓反饋和電流反饋的額定值均整定為10V。</p><p><b>　　4

16、系統(tǒng)的校正設(shè)計</b></p><p>　　4.1 校正的基本方法</p><p>　　動態(tài)校正的方法很多，而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實(shí)現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。PI

17、D調(diào)節(jié)器中有比例微分 （PD）、比例積分 （PI）和比例積分微分 （PID）三種類型。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后"超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要

18、求可以差一些，所以主要采用 PD調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PI或PID調(diào)節(jié)器。在設(shè)計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖 ，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱耍?lt;/p><p>　　4.2 校正的基本原理</p><p>　　在實(shí)際系統(tǒng)中，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有

19、一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計入因素的影響。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 GM. 一般要求</p><p>　　γ=30～60，GM>6dB</p><p>　　保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動態(tài)過程振

20、蕩弱、超調(diào)小。</p><p>　　在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同，這并不影響對系統(tǒng)性能的定性分析。圖,".3繪出了自動控制系統(tǒng)的典型伯德圖，從其中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個方面：</p><p>　　1）中頻段以.-40db/dec的斜率穿越0db線，而且這一斜率

21、能覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。</p><p>　　截止頻率 （或稱剪切頻率）!d越高，則系統(tǒng)的快速性越好。</p><p>　　高頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。</p><p>　　高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。</p><p>　　以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度

22、要求很高時，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。設(shè)計時往往須用多種手段，反復(fù)試湊。在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。采用微處理器數(shù)字控制后，控制器不一定是線性的，其結(jié)構(gòu)也不一定是固定的，可以很方便地應(yīng)用各種控制策略，解決矛盾就容易多了，具體設(shè)計時，首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性

23、能指標(biāo)計算參數(shù)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。然后，建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動態(tài)性能。如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定或動態(tài)性能不好，就必須配置合適的動態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足所要求的性能指標(biāo)。</p><p><b>　　4.3 調(diào)節(jié)器設(shè)計</b></p><p>　　圖4-1 PI調(diào)節(jié)器線路圖</p><

24、;p>　　本次設(shè)計使用的是PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的性能及原理為，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正裝置，常用 PI調(diào)節(jié)器。采用模擬控制時，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路圖如圖4-1所示。圖中Uin和 Uex分別表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出電壓的絕對值，圖中所示的極性表明它們是反相的；Rbain為運(yùn)算放大器同相輸入端的平衡電阻，一般取反相輸入端各電路電阻的并聯(lián)值，按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得</p><p>　　Uex

25、= (4-1)</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)，</p><p>　　調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)，</p><p>　　由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓 Uex由比例和積分兩部分疊加而成。當(dāng)初始條件為零時，取

26、式4-1兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)</p><p>　　W (4-2)</p><p>　　在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時間特性如圖4-2所示，從這個特性可以看出比例積分作用的物理意義。突加輸入電壓 Uin時，輸出電壓Uex首先突跳到 KpitUin，保證了一定的快速響應(yīng)。

27、但Kpit是小于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù) Kp的，因此快速性被壓低了，換來對穩(wěn)定性的保證。如果只有Kpit的比例放大作用，穩(wěn)態(tài)精度必然要受到影響，但現(xiàn)在還有積分部分。在過渡過程中，電容 C1由電流j,恒流充電，實(shí)現(xiàn)積分作用，使 Uex線性地增長，相當(dāng)于在動態(tài)中把放大系數(shù)逐漸提高，最終滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求。如果輸入電壓 Uin一直存在，電容C1就不斷充電，不斷進(jìn)行積分，直到輸出電壓 Uex達(dá)到運(yùn)算放大器的限幅值 Uexm時為止，稱作

28、運(yùn)算放大器飽和。為了保證線性放大作用并保護(hù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，對運(yùn)算放大器設(shè)置輸出電壓限幅是非常必要的。在實(shí)際閉環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，調(diào)節(jié)器的 Uin=0，積分過程就停止了。</p><p>　　4.4 利用PI調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)校正</p><p>　　原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　在這里， ，因此分母中</p><

29、p>　　可以分解成兩個一次項(xiàng)之積，即</p><p>　　根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)取為</p><p>　　于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是</p><p>　　相應(yīng)的閉環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性繪于圖4-2其中三個轉(zhuǎn)折頻率 （或稱交接頻率）分別為</p><p>　　由圖4-2可見，相角裕度'和增益裕度HN 都

30、是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。和用代數(shù)判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。</p><p>　　圖4-2 原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)伯德圖</p><p>　　為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)置PI調(diào)節(jié)器，設(shè)計時須繪出其對數(shù)頻率特性?？紤]到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為 Kp的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為</p><p>　　相應(yīng)的對數(shù)頻率特性如圖

31、4-3所示。鑒于Kpi<Kp，則,1/Kpi,τ>1/Kpτ，所以對數(shù)幅頻特圖4-3調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加部分的對數(shù)頻率特性性的 低 頻 部 分 斜 率 首 先 是 積 分 環(huán) 節(jié) 的-20db/dec，在頻率,1/Kpτ處穿越0db線，然后起作用的才是比例微分環(huán)節(jié)，在1/Kpτ處向上轉(zhuǎn)折，斜率變成0db/dec。與此相應(yīng)，可畫出對數(shù)相頻特性。將圖4-2和圖4-3畫在同一張坐標(biāo)紙上，然后相加，即得校正后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率

32、特性。由于必須在確定Kpi和τ值以后，才能具體畫出圖4-4實(shí)際設(shè)計時，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對數(shù)頻率特性，與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性。具體的設(shè)計方法是很靈活的，有時須反復(fù)試湊，才能得到滿意的結(jié)果。</p><p>　　圖4-3 PI調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加部分的對數(shù)頻率特性</p><p>　　圖4-4 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正①—原始

33、系統(tǒng)的對數(shù)幅頻和相頻特性 ②—校正環(huán)節(jié)添加部分的對數(shù)幅頻和相頻特性 ③—校后系統(tǒng)的對數(shù)幅頻和相頻特性</p><p>　　對于本例題的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用比較簡便的方法。由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù) K過大，截止頻率過高，應(yīng)該設(shè)法把它們壓下來。因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率1/Kpi設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率&d,處 （如圖4-4所示）。</p><p>　　為了方便起見，可

34、令 Kpiτ=T1使校正裝置的比例微分項(xiàng) 原始系統(tǒng)</p><p>　　中時間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié) 對消 （并 非必須如此），從而選定</p><p>　　其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對數(shù)幅頻特性應(yīng)以-20db/dec的斜率穿越0db線，必須把圖4-4中的原始系統(tǒng)特性①壓低，使校正后特性③的截止頻率</p>

35、;<p>　　這樣，在 處，應(yīng)有</p><p>　　根據(jù)以上兩點(diǎn)，校正環(huán)節(jié)添加部分的特性②就可以確定下來了。由圖4-4的原始系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性可知</p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　代入已知數(shù)據(jù)，得</b></p><p>　　取

36、 為了使 </p><p>　　在特性①上查得相應(yīng)的L1=3.15db,因而L2= -3.15</p><p><b>　　從特性②可以看出</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　

37、已知 </p><p>　　因此 </p><p>　　而且 </p><p>　　于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。已知 則</p><p>　　從圖上可以看出，校正后

38、系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)' 和增益裕度GM都已變成較大的正值，</p><p>　　有足夠的穩(wěn)定裕度，而截止頻率降到 快速性被壓低了許多，顯然這是一</p><p><b>　　個偏于穩(wěn)定的方案。</b></p><p><b>　　5 體會</b></p><p>

39、;　　通過此次課程設(shè)計的的經(jīng)歷，我既學(xué)會自動控制原理的有關(guān)理論，又在設(shè)計的過程中提高了動手能力，真正的做到了理論聯(lián)系實(shí)際。特別是在課程設(shè)計過程中遇到了一些困難，通過上圖書館查資料，請教老師，同學(xué)得到了比較好的解決。增強(qiáng)了思考問題，解決問題及動手能力。我覺得課程設(shè)計對我們是一個很好的鍛煉，所以我們應(yīng)該認(rèn)真對待，真正達(dá)到提高自己各方面能力的要求。</p><p>　　并且通過和指導(dǎo)老師的學(xué)習(xí)與同學(xué)之間的交流，體會到了