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1、精选优质文档-倾情为你奉上第六组课程设计任务书1.设计题目转速、电流双闭环直流调速系统的设计2.设计任务某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：电枢电路总电阻，电枢电路总电感168mH，电流允许过载倍数=1.5，折算到电动机轴的飞轮惯量。晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数电流反馈系数=1.09 ()转速反馈系数=0.007滤波时间常数取 ；调节器输入电阻3.设计要求(1)稳态指标:无静差(2)动态指标:电流超调量；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。目录第六组课程设计任务书1目录2第一章 双闭环直流调速系统的工作原理31.1 双闭环直流调速系统的
2、介绍31.2 双闭环直流调速系统的组成41.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性61.4 双闭环直流调速系统的数学模型81.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型81.4.2 启动过程分析8第二章 调节器的工程设计122.1 调节器的设计原则122.2 型系统与型系统的性能比较132.3 电流调节器的设计132.3.1 结构框图的化简和结构的选择142.3.2 电流环的设计152.4 转速调节器的设计182.4.1 结构框图的化简和结构的选择182.4.2 转速环的设计20第三章 Simulink仿真233.1 电流环的仿真设计233.2 转速环的仿真设计233.3 双闭环直流调速系统
3、的仿真设计24总结27参考文献28第一章 双闭环直流调速系统的工作原理1.1 双闭环直流调速系统的介绍目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的
4、。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。b) 理想的快速起动过程IdLLntIdOIdma) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统图1-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形IdLntIdOIdmIdcr在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后
5、，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，
6、因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。1.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的
7、稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图1-2. 转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环图1-3 双闭环直流调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压
8、；U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压； ASR转速调节器； ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE电力电子变换器1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性双闭环直流系统的稳态结构图如图所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图1-4 双闭环直流
9、调速系统的稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此， （1-1）（1-2）由式（1-1）可得： 从而得到静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，可知，这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到。而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环
10、调节系统。稳态时： （1-3）其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。 图1-5 双闭环直流调速系统的静 特性曲线1.4 双闭环直流调速系统的数学模型 1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。图1-6 双闭环直流调
11、速系统的动态结构框图1.4.2 启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图1-7。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成、三个阶段。IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3 t2t1ttIdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3 t2t1IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3 t2t1tt图1-7 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第一阶段是电流上升阶段。
12、当突加给定电压时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压，这时，很大，使ASR的输出突增为，ACR的输出为，可控整流器的输出为，使电枢电流迅速增加。当增加到（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限幅值，从而使电枢电流达到所对应的最大值（在这过程中的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即 （1-4）式中，电流反馈系数。速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱
13、和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流保持恒定值，即系统的加速度为恒值，所以转速n按线性规律上升，由知，也线性增加，这就要求也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压与转速负反馈电压相平衡，输入偏差等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在以最大电流下加速，使转速超调。超调后，、，使ASR退出饱和，其输出电压（也就是ACR的给定电压）才从限幅值降下来，与也随之降了下来，但是，由于仍大于负载电流，
14、在开始一段时间内转速仍继续上升。到时，电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使尽快地跟随ASR输出的变化。稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR和ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为 （1-5）ACR的输出电压为 （1-6）由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速
15、系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。（2）转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。（3）准时间
16、最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。第二章 调节器的工程设计2.1 调节器的设计原则为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：1 保证转速在设定后尽快达到稳速状态；2 保
17、证最优的稳定时间；3 减小转速超调量。为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：1. 概念清楚、易懂；2. 计算公式简明、好记；3. 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；4. 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式；5. 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格
18、中的数据计算一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。2.2 型系统与型系统的性能比较 许多控制系统的开环传递函数可表示为：根据中积分环节个数的不同，将该控制系统称为0型、型、型系统。自动控制理论证明，0型系统在稳态时是有差的，而型及型以上的系统很难稳定。因此，通常为了保证稳定性和一定的稳态精度，多用型、型系统，典型的型、型系统其开环传递函数为 一般说来典型型系统在动态跟随性能上可以做到超调小，但抗忧性能差；而典型型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。基于此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计
19、电流环首先要考虑的问题，所以一般电流环多设计为型系统，电流调节的设计应以此为限定条件。至于转速环，稳态无静差是最根本的要求，所以转速环通常设计为型系统。在双闭环调速系统中，整流装置滞后时间常数和电流滤波时间常数一般都比电枢回路电磁小很多，可将前两者近似为一个惯性环节，取。这样，经过小惯性环节的近似处理后，电流环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型型系统，同理，经过小惯性环节的近似处理后，转速环的被控对象形如式(2-1)。如前所述，转速环应设计成型系统，所以转速调节器也就设计成PI型调节器，如下式所示: （2-1）2.3 电流调节器的设计2.3.1 结构框图的化简和结构的选择在按动态性能
20、设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如图2-1所示。图2-1 电流环的动态结构框图忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中-电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。图2-2 等效成单位负反馈系统最后，由于和 一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 则电流环结构图最终简化成图2-3图2-3 小惯性环节的近似处理2.3.2电流环的设计1. 确定时间常数（1） 整流装置滞后时间常数，按表1选取。表 1整流电路形式平均失控时间/ms单相半波
21、10单相桥式（全波）5三相半波3.33三相桥式、六相半波1.67 三相零式电路的平均失控时间 （2）电流滤波时间常数 （3）电流环小时间常数，按小时间常数近似处理，取： （4）电磁时间常数 （5）机电时间常数 2. 选择电流调节器结构根据设计要求：，而且因此，可按典型型系统设计，电流调节器选用PI型，其传递函数为： 3. 选择电流调节器参数ACR超前时间常数：电流开环增益：要求时，应取【按表2】表2参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量01.5%4.3%9.5%16.3%上升时间无穷大6.67T4.72T3.34T2.41T相角稳定裕度7
22、6.369.965.559.251.8截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T因此 于是，ACR的比例系数为：4. 校验近似条件电流环截止频率（1）晶闸管装置传递函数近似条件： 现在， ，满足近似条件。（2） 忽略反电动势对电流环影响的条件 ，现在，满足近似条件。（3） 小时间常数近似处理条件： 现在，满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容 图2-4 PI型电流调节器所用运算放大器，各电阻和电容值计算如下： 取 取 取按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：（见表2），满足设计要求。2.4 转速调节器的设计2.4.1 结构框图的化简和结构的选择电流环经
23、简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为,因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-5所示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中图2-5 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图最后转速环结构简图为图2-6。图2-6 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一
24、个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。2.4.2转速环的设计1. 确定时间常数（1） 电流环等效时间常数为 （2） 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取（3） 转速环小时间常数： 按小时间常数近似处理，可取 2. 选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调解器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为： 3. 选择转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： 转速开环增益： 于是，ASR的比例系数由式：4校
25、验近似条件由式，转速开环截止频率为：（1） 电流环传递函数简化条件： 现在，满足简化条件。（2） 小时间常数近似处理条件： 现在， ，满足近似条件。 5. 计算调节器电阻和电容图2-7 PI型转速调节器 取，则 取 取 取 6. 校核转速超调量 由式 当h=5时， ，而，因此 7. 转速超调的抑制 超调量时的微分时间常数为： 取 此时， 根据，有： 取第三章 Simulink仿真3.1电流环的仿真校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在matlab中搭建好系统的模型，如图3-1-1：图3-1-1 电流环的仿真模型图图3-1-2 电流环的仿真结果图3.2转速环的仿真校正后转速环的动态结构
26、框图经过化简和相关计算，在Matlab中搭建好系统的模型，如图3-2-1：图3-2-1 转速环的仿真模型图图3-2-2 转速环的仿真结果图3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计转速电流双闭环直流调速系统在Matlab中搭建好系统的模型，如图3-3-1所示：图3-3-1 转速电流双闭环直流调速系统Matlab仿真模型图图3-3-2 双闭环电流仿真结果图图3-3-3 双闭环转速仿真结果图图3-3-1 转速电流双闭环直流调速系统Matlab仿真模型图总结课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一
27、件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。进一步了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；基本掌握了ASR、ACR为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。通过这次课程设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性。这次课程设计对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实基础。总之，在设计过程中，我不仅学到了知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅，同时感谢在设计中提供帮助的老师和同学们。参考文献【1】 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京：机械工业出版社，2007.【2】 汤蕴璆，罗应立，梁艳萍.电机学.第3版.北京：机械工业出版社，2008.【3】 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社.2006.【4】 李友善.自动控制原理.北京：机械工业出版社，2007.【5】 李发海，王岩.电机与拖动基础.北京：清华大学出版社，2005.专心-专注-专业