双闭环直流调速系统开题报告

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1、基于V-M的双闭环直流运动控制系统的设计和校正学 生：黄觉鸿指导教师：曾孟雄教学单位：机械与材料学院1 绪论11 课题的来源、研究背景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， 军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。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 年代前的大约 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相互独立并且 正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，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

2、机及其它电动机的挑战，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服控制首选。直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多 需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产 出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称 V-M 系统）。采 用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的 动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶 闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示 出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环 用来控制

3、电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流， 能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而 较之单闭环控制具有更好的控制特性。尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中 V-M 系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。1.2 相关课题的发展历史控制系统其实从 20世纪 40 年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后 期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处 理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以 PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，

4、在冶金、电力、石油、化工、轻 工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年代开始，陆续出现了现场总线控 制系统、基于PC的控制系统等。70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参 数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表 不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品 应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量 控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分 行业。1975年前后，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器（DDC） 的自控和计算机技术的基础上，

5、开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集 散控制系统（DCS）。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS应强调用户可以不 懂计算机就能使用DCS;同时，开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外， 开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安 全性。在以后的近30年间，DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改 造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具 有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环 境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代 产品，80年代中期至90

6、年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第 三代产品。1.2.2 PLC的诞生和发展在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作， 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上， 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM （通用汽车）公 司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出 了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控 制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯

7、形图语言作为编程 方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开 了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC就迅速扩展到食品、饮料、 金属加工、制造和造纸等多个行业。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装 置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用 和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机 存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合 的产物。个人计算机(简称PC)发展起来后

8、，为了方便，也为了反映可编程控 制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller (PLC)。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持 为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和 网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在 过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特 点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、 冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。1.2.3 PC技术推动了工控机

9、技术的发展历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式应用的首选机型。1981年， Mos tek、Mo torola、Phil ip 和 Signe tics 公司发明 了 VME 总线，1996 年的新标 准VME64(ANSI/VITA1-1994)将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为 80Mbps。由Force Computers制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了 320Mbps。VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，并 由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线最新产品已经采 用了 500MHz 的 Pentium III处理

10、器。由于用户希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，导 致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。除了 VME总线工控机外，产生了 一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表 性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、PC/104和 PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。1995年6月PCI SIG正式公布了 PCI局部总线规范2.1版，同时PICMG推 出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准。为了将PCI SIG的PCI总线规范用 在工业控制计算机系统，1995年11月PCI工业计算机制造者联

11、合会(PICMG)颁 布了 CompactPCI规范1.0版。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维 护性问题，而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI 工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由 于总体成本高、技术开发难度大、无源背板定义并不完全统一导致模板配套性差、 电磁兼容性设计要求高等因素，CompactPCI工控机在工业过程控制领域并未得 到实际应用，反而在电信市场获得广泛应用。1.2.4 现场总线控制系统现场总线技术是从80年代后期诞生的网络通信技术，经历十几年左右的发 展，国际上出现了几个有代表性的现场总线标

12、准和几个系列产品，较流行的有:(1) Profibus现场总线它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该项技术是由 西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理 层、数据链路层。(2) 控制局域网(Con trol Area Net work， CAN)控制网络最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间数据通 信。此外还值得一提的是，可寻址远程传感器数据公路(Highway Addressable Remote Transducer，HART)协议，它是由美国 Rosemount 公司最早 推出的一种兼容420mA模拟信号和调制数字信号的

13、现场总线协议。在当前的过 渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。(3) 基金会现场总线(Foundation Fieldbus)在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过 不断的竞争，到 1994 年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以 Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制 订的ISP协议;另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的World FIP协议。这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议。(4)

14、 LonWork(Local Opera ting Net work 局部操作网)现场总线它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的 全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化 为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbps，传输距离为2700m，传输介质可以是双 绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。13 国内外的主要研究工作和研究成果近30年来，电力拖动系统得到了迅猛的发展。但技术革新是永无止尽的， 为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：（1）采用新型电力电子器件电力电子器件的不断进步，为电机控

15、制系统的完善提供了物质保证，新的电 力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（PM） 的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定 优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第二代 电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。由于晶体 管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为 基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越 普遍的趋势。（2）应用现代控制理论 在过去，人们感到自动控制理论的研

16、究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发 展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复 杂的运算得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理 论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。（3）采用总线技术 现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。（4）内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域 当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具 有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供 了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux操作系统的数字式 伺服系统。1.4