直流双环系统(三)的设计及仿真分析(五).doc

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课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

直流双环系统（三）的设计及仿真分析（五）

双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。

系统基本数据如下：

直流电动机：

Unom=220V，Inom=136A，nnom=1460r/min，，允许过载倍数，额定转速时的给定电压调节器ＡＳＲ，ＡＣＲ饱和输出电压。

时间常数：

TL=0.03s，Tm=0.18s，晶闸管装置放大倍数：

KS=40，电枢回路总电阻：

R=0.5Ω。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

试对该系统进行动态参数设计。

设计指标：

稳态无静差，电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间。

画出系统结构框图并计算：

（1）电流反馈系数β和转速反馈系数α；

（2）设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取）；

（3）设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取）；

（4）让电机空载启动到额定转速，稳定运行后电动机磁场减少一半，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。

时间安排：

2014.6.21布置课程设计题目

2014.6.22-6.27完成课程设计

2014.6．28-7.1撰写课程设计报告

2014.7.2答辩并上交报告

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计

摘要

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。

具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。

常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。

实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环（ACR）作为控制系统的内环，转速环（ASR）作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。

本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。

使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。

电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主。

本文简单介绍了一下双闭环直流调速系统的结构组成，且在本课设要求下进行了电流调节器和转速调节器的理论计算与设计。

在理论计算的前提下用MATLAB进行了系统仿真，且简单分析了该系统空载启动到额定转速后电机磁场减半情况下的系统调节过程。

关键词：

直流双闭环电流调节器转速调节器扰动MATLAB

目录

摘要 1

目录 2

1双闭环直流调速系统 3

1.1双闭环直流调速系统的结构组成 3

1.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构 4

1.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构 4

2双闭环系统的设计 6

2.1转速和电流两个调节器的作用 6

2.2调节器的工程设计方法 6

2.3设计的基本思路 7

2.3.1电流调节器设计原理 7

2.3.2速度调节器设计原理 8

2.4系统初始条件 10

2.5电流调节器的设计 10

2.5.1电流反馈系数β的计算及时间常数的确定 10

2.5.2电流调节器结构的选择 11

2.5.3电流调节器参数的计算 11

2.5.4校验近似条件 11

2.5.5电流调节器基本结构 12

2.5.6调节器电阻和电容的计算 12

2.6转速调节器的设计 13

2.6.1转速反馈系数的计算及时间常数的确定 13

2.6.2转速调节器结构选择 13

2.6.3转速调节器参数计算 13

2.6.4校验近似条件 13

2.6.5转速调节器基本结构 14

2.6.6调节器电阻和电容的计算 14

2.6.7校核转速超调量 14

2.6.8按ASR退饱和重新计算超调量 15

3系统仿真 15

3.1双闭环直流调速系统动态结构框图 15

3.2系统仿真图的设计 16

3.3系统仿真波形图 16

3.4结果分析 17

3.4.1空载启动过程分析 17

3.4.2磁场减半后调节过程分析 18

心得体会 19

参考文献 20

直流双环系统的设计及仿真分析

1双闭环直流调速系统

1.1双闭环直流调速系统的结构组成

直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器和电流调节器，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。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。

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。

由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,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电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

如图1-1所示：

图1-1转速、电流双闭环直流调速系统

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,这样构成了双闭环直流调速系统。

1.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构

双闭环直流调速系统的稳态结构如下图1-2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。

转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，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。

图中用带限幅的输出性表示PI调节器的作用。

当调节器饱和时，输出达到限值，输入量不再变化。

当调节器不饱和的时候，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是是输入偏差电压在稳态时为零。

图1-2双闭环直流调速系统的稳态结构图

双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈主要起调节作用。

当负载电流达到时，对应于转速调节器为饱和输出，这是，电流调节器器主要调节作用。

这就是采用两个PI调节器分别形成的自动保护作用。

1.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构

双闭环直流调速系统的动态结构图如图1-3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。

为了引出负电流反馈，在电动机的动态结构图中必须把点数电流显露出来。

带载启动过程如图1-4所示，在他的启动过程有三个阶段，分别是电流上升阶段，恒流升速阶段和转速调节阶段。

通过这三个阶段可以看出启动过程有三个特点，饱和非线性，转速超调和准时间最优控制。

一般说来，双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能。

对于调速系统，另一个重要的动态性能是抗扰性能，主要是康复在扰动和抗电网电压扰动的性能。

图1-3双闭环调速系统的动态结构图

图1-4闭流调速系统起动过程的转速和电流波形

2双闭环系统的设计

2.1转速和电流两个调节器的作用

1.转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压

变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2.电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

2.2调节器的工程设计方法

必要性:

设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。

可能性:

电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。

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，同样给出简单的计算公式；

（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

2.3设计的基本思路

调节器的设计过程分作两步：

第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。

第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

在选择调节器结构时，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，就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。

用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环。

首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

双闭环调速系统的动态结构图如图1-3，不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。

2.3.1电流调节器设计原理

电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象，如果采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成

（2-1）

式中

电流环的传递函数为

（2-2）

因为Ti>>TΣi，选择τi=Ti，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正成典型Ⅰ型系统，因此

（2-3）

式中，电流环的动态结构图如图2-1所示。

图2-1电流环的动态结构图

在一般情况下，希望电流超调量si≤5%，由表2，可选x=0.707，KITSi=0.5，则

（2-4）

表2-1典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系KT

0.25

0.39

0.5

0.69

1.0

阻尼比z

1.0

0.8

0.707

0.6

0.5

超调量s

0%

1.5%

4.3%

9.5%

16.3%

上升时间tr

¥

6.6T

4.7T

3.3T

2.4T

峰值时间tp

¥

8.3T

6.2T

4.7T

3.2T

相角稳定裕度g

76°

69.9°

65°

59.2°

51.8°

截止频率wc

0.243/T

0.367/T

0.455/T

0.596/T

0.786/T

再依据得到：

2.3.2速度调节器设计原理

用等效环节代替电流环，将结构图简化

图2-2转速环的动态结构图及其简化

把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并得

（2-5）

转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，IdL（s）是负载扰动。

系统实现无静差的必要条件是：

在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。

因此转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型Ⅱ型系统设计。

ASR采用PI调节器，其传递函数为

（2-6）

式中

这样，调速系统的开环传递函数为

（2-7）

令转速环开环增益为

（2-8）

则

（2-9）

图2-3校