双闭环调速系统课程设计报告书.pdf

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1、下载可编辑.专业.整理.第一章直流双闭环调速系统原理 1.1系统的组成 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的 直流调速系统。采用 PI 调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系 统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高 的系统，单闭环系统就难以满足需要了。为了实现在允许条件下的最快启动，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，采用电流负反馈应该能够 得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有 电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发

2、挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成 系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设 置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电 流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图 1-1 所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把电流调节器的输 出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭 环调速系统。下载可编辑.专业.整理.1.2系统的原理图 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都 采用 PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图 1-2 所 示。图

3、中 ASR 为转速调节器，ACR 为电流调节器，TG 表示测速发电 机，TA表示电流互感器，UPE 是电力电子变换器。图中标出了两个 调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了 控制电压UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作 用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节 器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。+下载可编辑.专业.整理.图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图 下载可编辑.专业.整理.第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计 2.1电流调节器的设计 2.

4、1.1 电流环结构框图的化简 在图 2-1 点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互 相交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正 比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间 常数TL远小于机电时间常数 Tm，因此，转速的裱花往往比电流变化 慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流 的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态 性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就 是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框 图，如图 2-1 所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似 条件是下载可编

5、辑.专业.整理.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，如图 2-2 所 示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。最后，由于TS和TOI 般都比TL小得多，可以当作小惯性群而近 似看作是一个惯性环节，其时间常数为 则电流环结构框图最终简化成图 2-3。简化的近似条件为 式中-电流环开环频率特性的截止频率 图 2-1 忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图 图 2-2 等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图 下载可编辑.专业.整理.2.1.2 电流调节器结构的选择 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的

6、堵转特性，由图 2-3 可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际 系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流 在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只 是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型 系统。图 2-3 表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型 系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成 式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 则电流环的动态结构框图便成为图 2-4 所示的典型形式，其中 图 2-3 小惯性环节近似处理时电流的动态结构

7、框图 下载可编辑.专业.整理.图 2-4 校正成典型型系统的电流环动态结构框图 2.1.3 电流调节器的参数计算 1.确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间。2）电流滤波时间常数。取。3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。4）电磁时间常数、机电时间常数 电动势系数。；2选择电流调节器结构 根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计 电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可采用 PI 型电流调 节器。传递函数为：WACR（S）二 检查对电源电压的抗扰性能：，参照表 2-1 的典型型系统动态 抗扰性能，各项指标都是可以接受的。下载可编辑.专

8、业.整理.r T m 二 丁2 T2 1 5 1 10 1 20 1 30 sc max 100%55.5%33.2%18 5o 12 9 o FJ 丁 28 34 3 8 4 0 147 21 7 2&7 30.4 表 2-1 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 3计算电流调节器参数 电流反馈系数：电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，按表 2-2，应取，因此 于是，ACR 的比例系数为下载可编辑.专业.整理.参数关系KT 0.25 0.39 0.50 0.69 L 0 阻尼比百 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调暈疔 0%1.5%生3%9.5%16.3%上升时

9、间.QO 6.6T 4.1T 3.37 2,4T 峰值时间tp QO 8,3T 6.2T 生7T 3,6T 相角稳定裕度尸 76,3 69.9 65.5 59.2 51.8 截止频率吆 0.243/7 0.367/T o.455/r 0.569/r 0.786/7 表 2-2 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 4校验近似条件 电流环截止频率：（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。5.计算调节电阻和调节电容 由图 2-5，按所用运算放大器取，各电阻和电容值

10、为，取 58 下载可编辑.专业.整理.取 0.65 取 0.1 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计 要求。2.1.4 电流调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如图 2-5 所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出 就是电力电子变换器的控制电压 Uc。根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出 图 2-5 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器 01/?c l T-下载可编辑.专业.整理.2.2转速调节器的设计 2.2.1 电流环的等效闭环传递函数 电流环经等效后可视作转速换中的一个环节，为此，需求出它 的闭环传递函数。由

11、图 2-4 可知 忽略高次项，可降阶近似为 近似条件为 式中 转速环开环频率特性的截止频率。接入转速换内，电流环等效环节的输入量应为（s）,因此电流环 在转速环中应等效为 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以 近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。2.2.2 转速调节器结构的选择 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 2-6 所示。下载可编辑.专业.整理.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U*n(S)/,再把时间常数为 1/KI和Ton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 则转速环结

12、构框图可化简成图 2-7 图 2-7 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后转速换的动态结构框图 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(见图 2-7)，现在在扰 动作用点后面已经有了一个积分环节，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 II型系统，这样的系统 图 2-6 用等效环节代替电流环后转速环的动态结构框图 下载可编辑.专业.整理.同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR 也应该采用 PI 调节器，其传递函数为 式中一一转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函

13、数为 令转速环开环增益为 则 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图 2-8 所 n(s)图 2-8 校正后成为典型系统时转速环的动态结构框图 下载可编辑.专业.整理.223 转速调节器的参数计算 1.确定时间常数 1）电流环等效时间常数 1/K|:已取，则 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，取 2.选择转速调节器结构 按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为 3.计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=3，则 ASR 的超前时间 常数为 转速环开环增益 ASR 的比例系数为 4检验近似条件 转

14、速环截止频率为 1）电流环传递函数简化条件 下载可编辑.专业.整理.满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容 根据图 2-9，取，贝 S 取 424 取 0.11 取 1。6.校核转速超调量 当 h=3 时，由表 2-3 查得，不能满足设计要求。实际上，由 于表 2-3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不 符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况下重新计算超调 量。表 2-3 典型n型系统阶跃输入跟随性能指标 h 3 4 5 6 7 8 9 10 fT 5瓷6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%

15、23.3%2.40 2.65 2.85 3*0 3.1 3.2 3.3 3.35 12.15 11.65 9,55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20 k 3 2 2 1 1 1 1 1 7按退饱和情况计算转速超调量 设理想空载起动时 z=0,由已知数据有：，当 h=3 时，由表 2-4 查得，代入式，可得 能满足设计要求。下载可编辑.专业.整理.表 2-4 典型n型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 h 3 4 5 6 7 8 g 10 72.2%77.5%8L2%84.096 86.3%88.1%89.6%90.8%2.45 2.70 2.85 3+00 3.15 3

16、.25 3.30 3+40 13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25,85 224 转速调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的 PI 型转速调节器原理图如图 2-9 所 示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电 流调节器的给定电压。转速调节器参数与电阻、电容值的关系为下载可编辑.专业.整理.O-cm Con 丄&?hal U：&图 2-9 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器 下载可编辑.专业.整理.第三章系统仿真 本设计运用 Matlab 的 Simulink 来对系统进行模拟仿真。根据图 3-1 以及上面计算出的系统参数，

17、可以建立直流双闭环调速系统的动 态仿真模型，如图 3-2 所示。系统运行，空载及突加额定负载时得 到系统的电流和转速仿真曲线，如图 3-3、3-4。电流内环 图 3-1 直流双闭环调速系统的实际动态结构框图 下载可编辑.专业.整理.图 3-2 双闭环直流调速系统的模拟仿真图 下载可编辑.专业.整理.图 3-3 空载起动转速、电流仿真图形 下载可编辑.专业.整理.图 3-4 带负载扰动转速、电流仿真图形 心得体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实 际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练 和考察过程。下载可编辑.专业.整理.随着科学技术发展的日新

18、月异，双闭环直流调速已经 成为当今电机调速系统应用中空前活跃的领域，在生活中可以说是 无处不在。因此作为二一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技 术是十分重要的。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从 理论到实践，在将近两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是 可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了 很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了 只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合 起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的 实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问 题，同时也发现了自己的不足之处，意识到自己对以前所学过的知 识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，了解到理论知识与实践相结 合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这也将为我今后的学习 和工作产生积极的影响。在小组同学的热情帮助下，在指导教师的 耐心讲解下，我学会了 MATLAB 软件的调试和使用，顺利的完成了 这次课程设计。