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1、 皖 西 学 院课程设计汇报书系 别：机 电 学 院专 业：电气工程及其自动化学 生 姓 名：桂邯郸 学 号：课程设计题目：双闭环直流电机调速起 迄 日 期: 6 月 13日 6月 24日课程设计地点:机电学院试验室指 导 教 师:汪 明 珠下达任务书日期: 6月13日摘 要：很多生产机械要求在一定范围内进行速度平滑调整，而且要求含有良好稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好和含有良好动态性能，在高性能拖动技术领域中，相当长时期内几乎全部采取直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用很广泛电力传动系统。它含有动态响应快、抗干扰能力强等优点
2、。我们知道反馈闭环控制系统含有良好抗扰性能，它对于被反馈环前向通道上一切扰动作用全部能有效加以抑制。采取转速负反馈和PI调整器单闭环调速系统能够再确保系统稳定条件下实现转速无静差。但假如对系统动态性能要求较高，比如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这关键是因为在单闭环系统中不能完全根据需要来控制动态过程电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈步骤是专门用来控制电流。但它只是在超出临界电流值以后，强烈负反馈作用限制电流冲击，并不能很理想控制电流动态波形。在实际工作中，我们期望在电机最大电流限制条件下，充足利用电机许可过载能力，最好是在过分过程中一直保持电流（转
3、矩）为许可最大值，使电力拖动系统尽可能用最大加速度开启，抵达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩立即和负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，开启电流成方波形，而转速是线性增加。这是在最大电流转矩条件下调速系统所能得到最快开启过程。伴随社会化大生产不停发展，电力传动装置在现代化工业生产中得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量要求不停提升，这就需要越来越多生产机械能够实现制动调速，所以我们就要对这么自动调速系统作部分深入了解和研究。 此次设计课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包含主电路和控制回路。主电路由晶闸管组成，控制回路关键由检测电路，驱动电路组成，检测电路又包含转速检测和电流检测等部分。关
4、键词：双闭环控制系统，转速控制环，系统现实状况，发展趋势Abstract：Many production machinery requirements within a certain range of speed smooth adjustment, and has good steady-state and dynamic performance. Dc speed regulation system and wide speed range, small static rate, good stability and good dynamic performance, in the fi
5、eld of high-performance drive technology, a long period of time almost all adopt dc electric drive system. Double closed-loop dc speed regulating system is the most mature dc speed control system in the development and wide application of power transmission system. It has the advantages of fast dyna
6、mic response, strong anti-jamming capability. We know that feedback closed loop control system has good disturbance resistance, it is for the feedback loop were all can effective to restrain disturbance. Using negative feedback of rotation speed and the single closed-loop speed control system of PI
7、regulator may be guarantee conditions for the robust stability of the system to achieve speed astatic. But if the system dynamic performance of the demand is higher, such as requiring a small braking and sudden load dynamic downhill, etc., single closed loop system is difficult to meet the requireme
8、nts. This is mainly because in a single closed-loop system cant completely according to the need to control the dynamic process of current and torque. In a single closed-loop system, only by the current negative feedback link is specially used to control the current. But it is only after more than t
9、he critical current value, the impact of the strong negative feedback effect of limiting current, is not very ideal control current dynamic waveform. In the practical work, we hope that under the condition of motor current biggest limit, make full use of the machine allows the overload capacity, the
10、 best is always in the process of excessive current (torque) to allow maximum value, make the electric drive system with maximum acceleration start as far as possible, after arrived at steady speed, and let the current down immediately, make torque and load balance immediately, thus to steady state
11、operation. At this point, the starting current square waveform and speed is linear growth. This is the biggest moment of the electrical flow under the condition of speed control system can get the fastest startup process. With the continuous development of socialized production, power transmission d
12、evice is widely used in modern industrial production, the production process, the requirement of increasing the quality of the product, which requires more and more production machinery to realize braking speed, so we will be the automatic speed control system of such some understanding and further
13、research. The topic of this design is double closed-loop thyristor irreversible dc speed regulating system, including the main circuit and control circuit. Main circuit is composed of thyristor, control circuit mainly by the detection circuit, drive circuit, detection circuit and includes speed dete
14、ction and current detection.Keywords：Double closed loop control system, speed control loop, the system present situation, development trend目 录1 双闭环直流调速系统工作原理11.1 双闭环直流调速系统介绍11.2 双闭环直流调速系统组成21.3 双闭环直流调速系统稳态结构图和静特征41.4 双闭环直流调速系统数学模型62调整器工程设计102.1 调整器设计标准102.2 型系统和型系统性能比较112.3 电流调整器设计122.4 转速调整器设计163 S
15、imulink仿真203.1 双闭环直流调速系统仿真设计21致谢23参考文件241 双闭环直流调速系统工作原理1.1 双闭环直流调速系统介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一个目前应用广泛，经济，适用电力传动系统。它含有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统含有良好抗扰性能，它对于被反馈环前向通道上一切扰动作用全部能有效加以抑制。采取转速负反馈和PI调整器单闭环调速系统能够在确保系统稳定条件下实现转速无静差。但假如对系统动态性能要求较高，比如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这关键是因为在单闭环系统中不能完全根据需要来控制动态过程电流或转矩。在
16、单闭环系统中，只有电流截止负反馈步骤是专门用来控制电流。但它只是在超出临界电流值以后，靠强烈负反馈作用限制电流冲击，并不能很理想控制电流动态波形。带电流截止负反馈单闭环调速系统起动时电流和转速波形图1-（a）所表示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，所以加速过程肯定拖长。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b) (a)带电流截止负反馈单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1 调速系统起动过程电流和转速波形在实际工作中，我们期望在电机最大电流（转矩）受限条件下，充足利用电机许可过载能力，最好是在过渡过程中一直保持电流（转矩）为许可最大值，使电力
17、拖动系统尽可能用最大加速度起动，抵达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩立即和负载相平衡，从而转入稳态运行。这么理想起动过程波形图1-（b）所表示，这时，开启电流成方波形，而转速是线性增加。这是在最大电流（转矩）受限条件下调速系统所能得到最快起动过程。实际上，因为主电路电感作用，电流不能突跳，为了实现在许可条件下最快开启，关键是要取得一段使电流保持为最大值恒流过程，根据反馈控制规律，采取某个物理量负反馈就能够保持该量基础不变，那么采取电流负反馈就能得到近似恒流过程。问题是期望在开启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整器输入端，抵达稳态转速后，又期望只要转速负反馈，不再
18、靠电流负反馈发挥主作用，所以我们采取双闭环调速系统。这么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一样阶段。1.2 双闭环直流调速系统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整器，分别调整转速和电流，二者之间实施串级连接，图2所表示，即把转速调整器输出看成电流调整器输入，再用电流调整器输出去控制晶闸管整流器触发装置。从闭环结构上看，电流调整环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这么就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统两个调整器ASR和ACR通常全部采取PI调整器。因为PI调整器作为校正装置既能够确保系统稳态精度，使系统在稳态运行时得到无
19、静差调速，又能提升系统稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面要求。通常调速系统要求以稳和准为主，采取PI调整器便能确保系统取得良好静态和动态性能。图2 转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压； ASR转速调整器； ACR电流调整器；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稳态结构图和静特征Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图3：双闭环直流调速系统稳态结构图双闭环直流系统稳态结构图图3所表示，分析双闭环调速
20、系统静特征关键是掌握PI调整器稳态特征。通常存在两种情况：饱和输出达成限幅值；不饱和输出未达成限幅值。当调整器饱和时，输出为恒值，输入量改变不再影响输出，相当和使该调整环开环。当调整器不饱和时，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，电流调整器是不会达成饱和状态。所以，对静特征来说，只有转速调整器饱和和不饱和两种情况。1转速调整器不饱和这时，两个调整器全部不饱和，稳态时，它们输入偏差电压全部是零，所以，= = （1-1）= = （1-2）由式（1-1）可得：n=从而得到静特征曲线CA段。和此同时，因为ASR不饱和，可知，这就是说，CA段特征从理想空载状态Id=0一直延续到
21、=。而，通常全部是大于额定电流。这就是静特征运行段，它是一条水平特征。2转速调整器饱和这时，ASR输出达成限幅值，转速外环呈开环状态，转速改变对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差单电流闭环调整系统。稳态时：= （1-3）其中，最大电流取决于电动机许可过载能力和拖动系统许可最大加速度，由上式可得静特征AB段，它是一条垂直特征。这么是下垂特征只适合于情况，因为假如，则，ASR将退出饱和状态。图4 双闭环直流调速系统静特征曲线1.4 双闭环直流调速系统数学模型1.4.1 双闭环直流调速系统动态数学模型双闭环控制系统数学模型关键形式仍然是以传输函数或零极点模型为基础系统动态结构图。双闭环
22、直流调速系统动态结构框图图5所表示。图中和分别表示转速调整器和电流调整器传输函数。为了引出电流反馈，在电动机动态结构框图中必需把电枢电流显露出来。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图5：双闭环直流调速系统动态结构框图1.4.2 起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速调整器输出电压、电流调整器输出电压、可控整流器输出电压、电动机电枢电流和转速动态响应波形过程图28所表示。因为在起动过程中转速调整器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
23、段。图6 双闭环直流调速系统起动过程转速和电流波形第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压时，因为电动机机电惯性较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压，这时，很大，使ASR输出突增为，ACR输出为，可控整流器输出为，使电枢电流快速增加。当增加到（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调整器ASR输出很快达成限幅值，从而使电枢电流达成所对应最大值（在这过程中下降是因为电流负反馈所引发），到这时电流负反馈电压和ACR给定电压基础上是相等，即 （1-3）式中，电流反馈系数。速度调整器ASR输出限幅值正是按这个要求来整定。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
24、是开启过程关键阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和，转速负反馈不起调整作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调整。因为电流保持恒定值，即系统加速度为恒值，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，故在开启过程中电流调整器是不应该饱和，晶闸管可控整流步骤也不应该饱和。 第三阶段是转速调整阶段。转速调整器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR给定电压和转速负反馈电压相平衡，输入偏差等于零。但其输出却因为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给定电压）才从限幅值降下来，也随之降
25、了下来，不过，因为仍大于负载电流，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阻力下减速，知道稳定（假如系统动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR和ACR同时发挥作用，因为转速调整器在外环，ASR处于主导地位，而ACR作用则力图使立即地跟随ASR输出改变。稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR和ACR输入偏差电压全部为零，但因为积分作用，它们全部有恒定输出电压。ASR输出电压为 （1-4）ACR输出电压为 （1-5）由上述可知，双闭环调速系统，在开启过程大部分时间内，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整，从而可基础上实现
26、理想过程。双闭环调速系统转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调整器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调整作用，从而使在稳态和靠近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统含有良好静态和动态品质。总而言之，双闭环调速系统起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线形控制：伴随ASR饱和和不饱和，整个系统处于完全不一样两种状态，在不一样情况下表现为不一样结构线形系统，只能采取分段线形化方法来分析，不能简单用线形控制理论来笼统设计这么控制系统。（2）转速超调：当转速调整器ASR采取PI调整器时，转速肯定有超调。转速略有超调通常是许可，对于完全不许可超调情况，应采取其它控制方法来抑制超调。（3）按时
27、间最优控制：在设备许可条件下实现最短时间控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机许可过载能力限制下恒流起动，就是时间最优控制。但因为在起动过程、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程和理想开启过程相比还有部分差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小成份，无伤大局，可称作“按时间最优控制”。采取饱和非线性控制方法实现按时间最优控制是一个很有实用价值控制策略，在多种多环控制中得到普遍应用。2调整器工程设计2.1 调整器设计标准为了确保转速发生器高精度和高可靠性，系统采取转速改变率反馈和电流反馈双闭环电路关键考虑以下问题：1 确保转速在设定后立即达成稳速状态；2 确保最优稳定时间；3 减
28、小转速超调量。为了处理上述问题，就必需对转速、电流两个调整器进行优化设计，以满足系统需要。建立调整器工程设计方法所遵照标准是：1. 概念清楚、易懂；2. 计算公式简明、好记；3. 不仅给出参数计算公式，而且指明参数调整方向；4. 能考虑饱和非线性控制情况，一样给出简明计算公式；5. 适适用于多种能够简化成经典系统反馈控制系统。直流调速系统调整器参数工程设计包含确定经典系统、选择调整器类型、计算调整器参数、计算调整器电路参数、校验等内容。在选择调整器结构时，只采取少许经典系统，它参数和系统性能指标关系全部已事先找到，具体选择参数时只须按现成公式和表格中数据计算一下就能够了，这么就使设计方法规范化
29、，大大降低了设计工作量。2.2 型系统和型系统性能比较 很多控制系统开环传输函数可表示为： 依据W(s)中积分步骤个数不一样，将该控制系统称为0型、型、型系统。自动控制理论证实，0型系统在稳态时是有差，而型及型以上系统极难稳定。所以，通常为了确保稳定性和一定稳态精度，多用型、型系统，经典型、型系统其开环传输函数为 （2-1） （2-2）通常说来经典型系统在动态跟随性能上能够做到超调小，但抗忧性能差；而经典型系统超调量相对要大部分而抗扰性能却比很好。基于此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环一个关键作用是保持电枢电流在动态过程中不超出许可值，即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑问题，所以通常电
30、流环多设计为型系统，电流调整设计应以此为限定条件。至于转速环，稳态无静差是最根本要求，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Ts和电流滤波时间常数Toi通常全部比电枢回路电磁Tl小很多，可将前二者近似为一个惯性步骤，取Ti=Ts+Toi。这么，经过小惯性步骤近似处理后，电流环控制对象是一个双惯性步骤，要将其设计成经典型系统，同理，经过小惯性步骤近似处理后，转速环被控对象形如式(2-1)。如前所述，转速环应设计成型系统，所以转速调整器也就设计成PI型调整器，以下式所表示: （2-3）2.3 电流调整器设计2.3.1 结构框图化简和结构选择在按动态性能设计电流环时，能
31、够暂不考虑反电动势改变动态影响，即DE0。这时，电流环图7所表示。 图7 电流环动态结构框图及其化简忽略反电动势对电流环作用近似条件是：式中-电流环开环频率特征截止频率。假如把给定滤波和反馈滤波两个步骤全部等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统。 图8a 等效成单位负反馈系统最终，因为Ts 和 T0i 通常全部比Tl 小得多，能够看成小惯性群而近似地看作是一个惯性步骤，其时间常数为 Ti = Ts + Toi 则电流环结构图最终简化成图8图8b 小惯性步骤近似处理2.3.2 时间常数计算直流电机参数 整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。电流
32、滤波时间常数Toi=0.002s。电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0。0017s +0。002s =0.0037s电枢回路电磁时间常数电力拖动系统机电时间常数2.3.3 选择电流调整器结构要求电流无静差，实际系统不许可电枢电流在突加控制作用时有太大超调，以确保电流在动态过程中不超出许可值，而对电网电压波动立即抗扰作用只是次要原因，为此，电流环应以跟随性能为主，应选择经典I型系统。 电流环控制对象是双惯性型，要校正成经典 I 型系统，显然应采取PI型电流调整器，其传输函数能够写成 （2-5）式中 Ki 电流调整器百分比系数； ti 电流调整器超前时间常数。检验对电源电压抗扰性能：，参考经典
33、型系统动态抗扰性能指标和参数关系表格，能够看出各项指标全部是能够接收。2.3.4 计算电流调整器参数电流调整器超前时间常数：ti=Tl=0.07s。电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi=0.5，所以于是，ACR百分比系数为：2.3.5 校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1；晶闸管整流装置传输函数近似条件： 满足近似条件忽略反电动势改变对电流环动态影响条件： 满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件2.3.6 计算调整器电阻和电容图9 PI型电路调整器组成按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为：2.4 转速调整器设计2.4.1 转速环结构框图化
34、简电流环经简化后可视作转速环中一个步骤，接入转速环内，电流环等效步骤输入量应为Ui*(s),所以电流环在转速环中应等效为用电流环等效步骤替换电流环后，整个转速控制系统动态结构图便图10所表示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波步骤移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 两个小惯性步骤合并起来，近似成一个时间常数为惯性步骤，其中Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)图10 用等效步骤替换电流环转速环动态结构图最终转速环结构简图为图11图11 等效成单位负反馈系统和小惯性近
35、似处理转速环结构框图2.4.2 确定时间常数1、电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KITi=0.5，则2、转速滤波时间常数Ton。依据已知条件可知Ton=0.01s3、转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取2.4.3 选择转速调整器结构 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必需有一个积分步骤，它应该包含在转速调整器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分步骤，所以转速环开环传输函数应共有两个积分步骤，所以应该设计成经典 型系统，这么系统同时也能满足动态抗扰性能好要求。由此可见，ASR也应该采取PI调整器，其传输函数为 式中 Kn 转速调整器百分比系数； t n
36、转速调整器超前时间常数。 2.4.4 计算转速调整器参数按跟随和抗扰性能全部很好标准，取h=5，则ASR超前时间常数为：转速环开环增益为：ASR百分比系数为：2.4.5 检验近似条件转速环截止频率为 1) 电流环传输函数简化条件为 满足近似条件2) 转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件2.4.6 计算调整器电阻和电容图12 PI型转速调整器组成取R0=40k，则当h=5时，查询经典型系统阶跃输入跟随性能指标表格能够看出，不能满足设计要求，需要添加微分负反馈：3 Simulink仿真3.1 双闭环直流调速系统仿真设计图18 双闭环仿真结果致谢经过这次设计，我基础上掌握了直流双闭环调速系统
37、设计。具体说，第一，了解了调速发展史同时，深入了解了交流调速系统所蕴涵发展潜力，掌握了这首先未来发展动态；第二，了解了双闭环直流调速系统基础组成和其静态、动态特征；第三，基础掌握了ASR、ACR（速度、电流调整器）为了满足系统动态、静态指标在结构上选择，包含其参数计算；第四，利用MATLAB仿真系统对所建立双闭环直流调速系统进行仿真，和此同时，深入熟悉了MATLAB相关功效，掌握了其使用方法。本课程设计综合利用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动和控制技术等知识，为了愈加好完成设计，我又重新复习了一遍原来所学知识，加深了对知识了解，提升了对知识应用能力，同时使我认识到了各个课程之间是紧密联络。总而言之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过新知识，而且学会了独立去发觉，面对，分析，处理新问题能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己能力，使我受益非浅，同时感谢在设计中提供帮助老师和同学们。 参考文件1 阮毅，陈维钧. 运动控制系统. 清华大学出版社，2陈伯时. 电力拖动自动控制系统（第2版）. 机械工业出版，19913陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社，19974胡崇岳. 现代交流调速技术. 机械工业出版社，5 李友善. 自动控制原理，北京：国防工业出版社，1981.6 周渊深. 交直流调速系统和MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，.