SIEMENS直流调速系统6RA70课程设计报告.doc
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摘要
本文介绍了，基于SIEMENS直流控制系统装置，进行的相关的直流调速系统的分析和设计。
直流电动机具有良好的起动、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的应用。
从控制的角度来看，直流调速系统是一种通过对直流发电机输出电压的改变，从而达到调节直流电动机转速的目的的系统。
直流调速系统中，虽然开环调速系统也能在一定的转速范围内实现无极调速，但却难以满足生产工艺对静差率与调速范围的综合要求。
只有按反馈控制原理构成的转速闭环系统，才是减小或消除静差速降的有效途径。
闭环控制系统又包括单闭环控制系统和多闭环控制系统。
在控制过程中，系统既要控制电动机转速，实现无静差调节；又要控制电动机电枢电流，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下或得最快的动态响应，转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。
基于西门子6RA70直流调速系统装置，从九个实验题目来对自动控制系统进行分析和研究，通过实际操作，数据分析以及图像的截取，来实现直流调速系统的分析、设计，并通过matlab的建模与仿真探究最优化参数，且在电动机上实现。
关键词：
直流调速系统，西门子6RA70，开环，单闭环，双闭环，matlab
目录
摘要 1
1概述 4
2课程设计任务及要求 5
2.1设计任务 5
2.2设计要求 5
3理论设计 6
3.1方案论证 6
3.2系统设计 6
3.2.1结构框图 6
3.2.2系统原理图及工作原理 7
3.3单元电路设计 7
3.3.1单元电路工作原理 8
4设计实验题目 11
4.1熟悉6RA70直流调速系统的外部接线，掌握直流调速系统的结构 11
4.2学习DriveMonitor软件的使用方法 11
4.3系统基本参数输入 12
4.4速度、电流双闭环调速系统的参数优化，系统的控制参数监视及分析 15
4.4.1参数优化 15
4.4.2参数监视与分析 15
4.5速度、电流双闭环调速系统的运行 16
4.5.1双闭环调速系统的动态特性 16
4.5.2双闭环调速系统的跟随性能 19
图4-12双闭环调速系统的跟随性能 20
图4-13双闭环调速系统的跟随性能 20
图4-14双闭环调速系统的跟随性能 21
4.5.3双闭环调速系统的抗扰性能 21
4.6斜坡函数发生器的参数设定及波形调整，改变斜率观察系统特性 23
4.6.1参数设定与波形调整 23
4.6.2系统特性分析 27
4.7利用模拟量输出通道D/A转换器实现系统电流及速度动态响应曲线的测试 27
4.8电机给定运行轨迹控制系统的分析与设计 28
4.8.1给定波形不同时的系统运行轨迹 28
4.8.2速度和电流环P、I不同时的系统运行轨迹 30
4.9电机模型的辨识与参数优化 39
4.9.1控制系统计算机仿真的过程 39
4.9.2Matlab建模与仿真 41
4.9.3转速环与电流环断开操作 41
4.9.4线性系统离散化 41
4.9.5离散系统的模型辨识 42
4.9.6离散系统连续化 45
4.9.7Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析 48
4.9.8对比仿真图像与实际图像 52
5结论 55
6使用仪器设备清单 56
7收获和体会 57
8参考文献 58
1概述
SIMOREGDC-MASTER以其高度运行可靠性和使用性在世界范围内的各个工业领域著称，其操作非常简单，并且不需要专门的编程知识，所有设置均可通过参数设定设备进行。
参数设定也可通过PC的菜单提示进行，以实现快速地投入运行。
西门子6RA28/24/70直流调速器为全数字式，其中，6RA70又具有如下特点：
电枢电流：
15-2000A
电枢电压：
420-485VDC
励磁可调：
SIMOREGDC-MASTER是全数字调速装置，它接到三相交流电网上，并能调节直流调速系统的电枢和励磁。
优化的通讯技术：
SIMOREGDC-MASTER使用开放的和标准的PROFIBUS-DP现场总线系统，通过RS232接口可直接连接到PC和实现装置对装置通讯。
装置与装置间通讯：
使用新颖的BICO技术使SIMOREGDC-MASTER在软件功能性方面达到一个新水平。
只需简单的参数设定，就可实现功能块的不同组合，满足实际的应用。
BICO新颖的软件解决方案使用RS485：
接口实现装置与装置间的连接，因而实现一个高速全数字设定值级链。
DriveMonitor是实现对西门子传动设备现场调试的一个工具软件。
可以进行参数设定,故障分析和跟踪记录等功能。
主要功能包括：
参数设定、装置诊断、参数备份和刷新、数据记录跟踪、参数比较等。
通过西门子6RA70直流调速系统装置，探究直流调速系统。
2课程设计任务及要求
2.1设计任务
（1）学会使用SIMENS直流控制系统装置。
（2）确定控制系统方案，画出系统的原理图和方框图，并使用SIMENS直流控制系统装置完成自动控制系统的设计任务。
（3）撰写课程设计报告
2.2设计要求
（1）熟悉SIEMENS直流调速系统6RA70的外部接线；
（2）熟悉并学会使用SIEMENS直流控制系统装置；
（3）按照要求确定自动控制系统方案；
（4）画出系统的原理电路图和方框图；
（5）学习DriveMonitor软件的使用方法
（6）掌握SIEMENS直流控制系统装置的各种参数设定方法；
（7）设计出相应的系统配置并完成调试；
（8）撰写课程设计报告。
3理论设计
3.1方案论证
为了满足工业自动化对电气传动系统越来越高的性能要求，西门子公司1999年隆重推出了新型的直流驱动产品6RA70，它广泛适用于各个工业领域，诸如印刷机械、起重机械的行走机构和提升机械、电梯及有轨缆车传动，橡胶、造纸和钢铁工业中的传动，剪切机，校直机和卷取机、轧机的主传动，横向剪切或薄膜机传动以及其他特殊应用场合。
与西门子公司的前代直流驱动装置相比，6RA70的特性从机械结构到软件特点都有重大突破。
它采用了与西门子交流驱动产品一致的电子箱，机械结构更加紧凑，模板可以自由配置，安装方便简单，6RA70系列单机电流可达2 000A，装置与装置可以直接并联，扩展电流可达12 000A。
全部的6RA70直流驱动装置可以实现单象限或四象限运行，供电电压等级为400V、575V、690V和830V，电枢电流范围15～2 000A，励磁电流范围3～40A，过载能力可达150%，也可以提供成柜装置，即接即用。
3.2系统设计
3.2.1结构框图
图3-1单闭环控制系统框图
图3-2双闭环控制系统框图
3.2.2系统原理图及工作原理
图3-3系统原理图
3.3单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
（1）速度调节器电路
图3-4速度调节器电路图
速度调节器电路图如图所示，其工作原理为：
通过设定P621，P622，P623，P624的值来控制速度调节器的给定值与反馈值，从而得到偏差值，进而实现速度的开环控制或者闭环控制。
同时可以通过设定Kp和Tn的参数使调机器工作在最佳状态。
（2）电流调节器电路
图3-5电流调节器电路图
电流调节器电路图如图所示，电流调节器通过得到给定值与反馈值的偏差来实现电流的调节。
通过改变P值来控制电流调节器的给定与反馈，如果是单闭环调速系统，则可以通过设定P602的值来改变是否与反馈。
（3）振荡、方波发生器电路
图3-6振荡、方波发生器电路图
振荡、方波发生器原理图如图所示，通过设定P480，P481，P482，P483的参数值来改变方波的波形。
通过设定P485的值为1是方波发生器作为输入。
（4）斜坡函数发生器电路
图3-7斜坡函数发生器电路图
斜坡函数发生器电路图如图所示，通过设定P633，P634，P635，P636，P637，P638，P639，P640，P641,P646的参数改变斜坡函数发生器的功能。
（5）电流限幅电路
图3-8电流限幅电路图
（6）转矩限幅，速度限幅调节器电路
图3-9转矩限幅，速度限幅调节器电路图
4设计实验题目
实验题目：
（1）熟悉6RA70直流调速系统的外部接线，掌握直流调速系统的结构；
（2）学习DriveMonitor软件的使用方法；
（3）系统基本参数输入；
（4）速度、电流双闭环调速系统的参数优化，系统的控制参数监视及分析；
（5）速度、电流双闭环调速系统的运行；
（6）斜坡函数发生器的参数设定及波形调整，改变斜率观察系统特性；
（7）利用模拟量输出通道D/A转换器实现系统电流及速度动态响应曲线的测试；
（8）电机给定运行轨迹控制系统的分析与设计；
（9）确定被控对象的传递函数模型，并利用Simulink设计合适的速度调节器的PI参数，通过仿真得到理想的阶跃响应曲线，并在6RA70系统上实现；
4.1熟悉6RA70直流调速系统的外部接线，掌握直流调速系统的结构
4.2学习DriveMonitor软件的使用方法
DriveMonitor是实现对西门子传动设备现场调试的一个工具软件。
可以进行参数设定,故障分析和跟踪记录等功能。
主要功能包括：
参数设定、装置诊断、参数备份和刷新、数据记录跟踪、参数比较等。
与SIMOREG装置连接步骤：
（1）双击Drivemonitor快捷图标打开画面
（2）通过file/new/baseonfactorysettingoremptyparameterset新建一个项目
（3）项目设置
（4）在线设置
Drivemonitor常用功能应用：
（1）在线参数设置
（2）参数备份和参数下载
（3）参数文件的导出导入
（4）参数比较功能
（5）参数表转化成EXCEL表形式
（6）参数类型选择
（7）故障诊断
（8）装置连接量（K和B）的应用查询
（9）TRACE功能应用
通过DriveMonitor对速度、电流双闭环调速系统的参数进行优化，掌握系统的控制参数监视及分析。
4.3系统基本参数输入
P051置21恢复出厂设置，等待6RA70控制箱的显示屏出现“o7.0”后进行基本参数设置。
（1）额定电枢电流设置：
P076.1置10%
图4-1额定电枢电流设置
（2）额定励磁电流设置:
P076.2置10%
图4-2额定励磁电流设置
（3）电枢线电压设置：
P078.1置220V
图4-3电枢线电压设置
（4）反馈量设置：
P083置3EMFactualvalue
图4-4反馈量设置
（5）电枢电流设置：
P100置1.2A
图4-5电枢电流设置
（6）电枢电压设置：
P101置220V
图4-6电枢电压设置
（7）励磁电流设置：
P102置0.13A
图4-7励磁电流设置
（8）额定转速设置：
P104置1500r/m
图4-8额定转速设置
4.4速度、电流双闭环调速系统的参数优化，系统的控制参数监视及分析
4.4.1参数优化
（1）电流环参数自动优化:
P051置25，在30s内顺序闭合转速环和电流环的开关，并且人为堵转直至显示“o7.2”结束。
（2）速度环参数自动优化:
P051置26，在30s内顺序闭合转速环和电流环的开关，直至显示“o7.2”结束。
4.4.2参数监视与分析
（1）优化结果：
电流环自动优化最佳参数：
P=0.10I=0.014
图4-9电流环自动优化
速度环自动优化最佳参数：
P=1.56I=0.106
图4-10速度环自动优化
（2）结论分析：
6RA70系统可由负载参数自动优化出速度环比例系数为Pn=1.56，积分时间常数为In=0.106；电流环比例系数为Pi=0.10，积分时间常数为Ii=0.014。
由此参数得出的动态响应曲线最好。
4.5速度、电流双闭环调速系统的运行
4.5.1双闭环调速系统的动态特性
研究双闭环调速系统的运行离不开对系统动态特性的分析，动态性能主要是指系统对给定输入（阶跃给定）的跟随性和系统对扰动输入（阶跃扰动）的抗扰性能。
双闭环调速系统在突加给定电压后，ASR和ACR两个调节器锁零同时解除，系统便进入启动过程，其动态响应波形可分为三个阶段，在图中以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示。
图4-11双闭环调速系统的动态特性
（1）第Ⅰ阶段：
0→t1为强迫建流阶段，即
电流由零上升到最大值。
当突加给定电压后，由于电机惯性较大，转速与电流反馈没有建立起来，转速调节器输入偏差很大，是ASR输出立即达到限幅值。
由于主回路中电感的作用，电枢电流不可能立即建立起来，使ACR输入偏差较大，迫使ACR的输出迅速上升，产生一个强迫电压使迅速上升。
当电枢电流上升到大于负载电流后，电动机开始启动。
但ASR仍然处于饱和限幅状态，输出仍然为，继续迫使电流上升，直到时，完成电流上升阶段。
在这一阶段中，转速调节器ASR处于饱和限幅状态，电流调节器ACR输出不达到限幅值，以保证其调节作用。
（2）第Ⅱ阶段：
恒流升速阶段。
这段时间是从电流达到最大电流开始到转速上升到给定转速为止。
这段时间是启动过程中时间最长的阶段。
在这个阶段中，由于电动机转速小于给定转速，转速调节器一直处于饱和限幅状态，ASR始终输出限幅值。
电动机在最大电流作用下升速，增加。
虽然ASR的输入偏差在减小，但是仍然不会使ASR的输出退出限幅状态。
此时，转速环相当于开环，ASR只负责给出一个最大电流给定值。
由于ASR的输出保持不变，在电流环的调节作用下，电枢电流维持最大值不变，系统加速度恒定，转速呈线性增长。
由于转速的线性增长，使反电动势E成为一个线性渐增的扰动量，它要迫使电流减小。
的减小迫使增大，经电流环的调节又使电流上升接近到原来的值。
总之，在恒流升速阶段，转速调节器ASR处于饱和的限幅状态，转速环相当于开环。
电流调节器ACR起调节作用，维持接近最大电流不变。
（3）第Ⅲ阶段：
转速超调和电流调节阶段。
当转速上升到给定值是，，，即ASR入口偏差电压为零，但由于几分作用，ASR的输出还维持在限幅值上，所以电动机仍在最大电流的作用下继续加速，使转速出现超调。
当时，，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。
但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。
当时，，，n达到最大值（t3时刻）。
此后电动机开始在负载阻力作用下减速，电流出现一段小于的过程之后，逐渐接近稳态。
在这一阶段中，ASR和ACR同时发挥作用，速度环的调节作用是主导的，它使转速通过电流环趋近于给定速度，最后使系统稳定；而电流环的作用是使电流及其反馈跟随变化，即电流环是随外环而动的随动环。
由此看来，转速电流双闭环调速系统在突加阶跃给定的启动过程中，利用转速调节器ASR的饱和非线性，使系统首先变成一个恒流调节系统；又以ASR退出饱和为转机，使系统在达到稳态运行之后成为无静差的调速系统。
4.5.2双闭环调速系统的跟随性能
图4-12双闭环调速系统的跟随性能
上升时间：
图4-13双闭环调速系统的跟随性能
峰值时间：
图4-14双闭环调速系统的跟随性能
调节时间：
超调量：
4.5.3双闭环调速系统的抗扰性能
在系统稳定运行的时通过接通磁粉制动器来突加负载，观察双闭环系统的抗扰性能，响应曲线如图所示。
曲线1是斜坡输入给定信号K190
曲线2是实际速度反馈信号K167
曲线3是电枢电流反馈信号K117
图4-15双闭环调速系统的抗扰性能
电枢电流：
图4-16双闭环调速系统的抗扰性能
实际速度：
图4-17双闭环调速系统的抗扰性能
最大动态降落：
恢复时间：
4.6斜坡函数发生器的参数设定及波形调整，改变斜率观察系统特性
P485置0；P637置0；P638置0。
调节有效上升时间P303、有效初始圆弧P305、有效终止圆弧P306的参数，观察斜坡给定信号K190与输出反馈信号K167的波形并分析。
4.6.1参数设定与波形调整
（1）P303置5s；P305、P306置0：
图4-18有效上升时间为5s时的波形
（2）P303置10s；P305、P306置0：
图4-19有效上升时间为10s时的波形
（3）P303置5s；P305、P306置10：
图4-20有效初始、终止圆弧为10时的波形
（4）P303置5s；P305、P306置20：
图4-21有效初始、终止圆弧为20时的波形
（5）P303置5s；P305、P306置50：
图4-22有效初始、终止圆弧为50时的波形
（6）P303置5s；P305、P306置100：
图4-23有效初始、终止圆弧为100时的波形
4.6.2系统特性分析
比较
（1）、
（2）两组曲线可知，保持有效初始圆弧、有效终止圆弧不变，给定有效上升时间越长，斜坡斜率越小，达到稳态所用时间越长，即上升越慢。
比较
（1）、（3）、（4）、（5）、（6）五组曲线可知，保持上升时间不变，给定有效初始圆弧、有效终止圆弧越大，波形过渡越平滑，调节时间也越长。
4.7利用模拟量输出通道D/A转换器实现系统电流及速度动态响应曲线的测试
图4-24电流及速度动态响应曲线的测试
4.8电机给定运行轨迹控制系统的分析与设计
4.8.1给定波形不同时的系统运行轨迹
（1）阶跃给定：
图4-25阶跃给定时的运行轨迹
（2）方波给定：
图4-26方波给定时的运行轨迹
（3）梯形波给定：
图4-27梯形波给定时的运行轨迹
4.8.2速度和电流环P、I不同时的系统运行轨迹
（1）速度环比例系数P的比较：
①P=2.06
图4-28Pn=2.06时系统运行轨迹
调节时间：
稳态误差：
②P=10
图4-29Pn=10时系统运行轨迹
调节时间：
稳态误差：
③结论分析：
比较①②两组系统运行轨迹并计算调节时间与稳态误差可知，增大比例系数P，系统调节时间变短，稳态误差明显减小，但由图片看出，曲线振荡加剧。
（2）速度环积分时间常数I的比较：
①I=0.106
图4-30=0.106时系统运行轨迹
图4-31=0.106时系统运行轨迹
图4-32=0.106时系统运行轨迹
②I=0.05
图4-33=0.05时系统运行轨迹
图4-34=0.05时系统运行轨迹
图4-35=0.05时系统运行轨迹
③结论分析
比较①组和②组运行轨迹可得，曲线上升时间减小，但超调量变大，振荡次数增加。
结合理论知识可知，减小积分时间常数，使系统的稳定性下降，但能消除误差，提高系统的控制精度。
（3）电流环比例系数P的比较：
①P=0.10
图4-36Pi=0.10时系统运行轨迹
②P=10
图4-37Pi=10时系统运行轨迹
③结论分析
比较①组和②组运行轨迹可知，增大电流环比例系数，系统调节时间减小，即系统达到稳态值时间减小，且系统静差减小；但比例系数大，系统振荡次数增加，趋于不稳定。
（4）电流环积分时间常数I的比较：
①I=0.002
图4-38Ii=0.002时系统运行轨迹
②I=0.014
图4-39Ii=0.014时系统运行轨迹
③I=5
图4-40Ii=5时系统运行轨迹
④结论分析
比较①②③组运行轨迹可知，积分时间常数越大，调节时间越长，积分作用越弱，且由图可看出，电流环积分环节并不能消除静差。
4.9电机模型的辨识与参数优化
用matlab建立离散系统的模型辨识，求出相关参数，在Simulink环境中对直流调速系统进行仿真设计，具体仿真内容有：
建立电机开、闭环模型；对电流环和转速环进行时域和频域分析；对调节器参数进行校正设计；对调速系统进行跟随性分析。
4.9.1控制系统计算机仿真的过程
控制系统仿真，就是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。
通常控制系统仿真的过程按以下步骤进行：
第一步，建立自控系统的数学模型
系统的数学模型，是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。
常用最基本的数学模型是微分方程与差分方程，根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、化学基本定律。
这是解析法建立数学模型。
对于很多复杂的系统，则必须通过实验方法并利用系统辨识技术，考虑计算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能准确地反映系统的动态本质，又能简化分析计算的工作。
这是实验法建立数学模型。
控制系统的数学模型是系统仿真的主要依据。
第二步，建立自控系统的仿真模型
原始的自控系统的数学模型比如微分方程，并不能用来直接对系统进行仿真。
还得将其转换为能够对系统进行仿真的模型。
对于连续控制系统而言，有像微分方程这样的原始数学模型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得自控系统传递函数数学模型。
以传递函数模型为基础，等效变换为状态空间模型，或者将其图形化为动态结构图模型，这些模型都是自控系统的仿真模型。
对于离散控制系统而言，有像差分方程这样的原始数学模型以及类似连续系统的各种模型，这些模型都可以对离散系统直接进行仿真。
第三步，编制自控系统仿真程序
对于非实时系统的仿真，可以用一般的高级语言，例如Basic、Fortran或C等语言编制仿真程序。
对于快速的实时系统的仿真，往往用汇编语言编制仿真程序。
当然也可以直接利用仿真语言。
如果应用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成环境作仿真工具，这就是MATLAB仿真。
控制系统的MATLAB仿真是控制系统计算机仿真一个特殊软件工具的子集。
第四步，进行仿真实验并输出仿真结果
进行仿真实验，通过实验对仿真模型与仿真程序进行检验和修改，而后按照系统仿真的要求输出仿真结果。
4.9.2Matlab建模与仿真
长期以来，仿真领域的研究重点在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以后，要设计一种算法以使系统模型等为计算机所接受，然后再将其编制成程序在计算机上运行。
Matlab提供的动态系统仿真工具Simulink可有效解决上述仿真技术问题。
在Simulink中，建立系统模型，可以随意改变仿真参数，即时得到修改后的仿真结果。
Matlab中的分析与可视化工具多种多样且易于操作。
利用Simulink对动态系统做适当仿真和分析，可以在实际做出系统之前进行，以便对不符合要求的系统进行适时校正，增强系统性能，减少系统反复修改的时间，实现高效开发系统的目标。
4.9.3转速环与电流环断开操作
将电流环直接短接，断开速度环。
断开速度环步骤如下：
（1）将速度反馈环断掉：
P623置为0
（2）将速度调节器变为一个纯P调节器：
P224置为0
（3）将速度调节器变为K=1的比例环节：
P225改为1
（4）将电流调节器短路，避免超速报错F038：
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