第五章调速系统动态参数的工程设计.doc

第五章 调速系统动态参数的工程设计一、调节器工程设计方法的基本思路 先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器，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。图5-1双闭环调速系统动态结构图 双闭环调速系统的动态结构图绘于图5-1，其中的滤波环节 包括电流滤波、转速滤波和两个给定。由于电流检测信号中常含有交流分量须加低通滤波，其滤波时间常数按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加人一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示 。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为的给定滤波环节。 二、电流调节器的设计 （一）电流调节器结构的选择电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型型系统。为了提高电流环对电网电压波动及时调节的作用，又希望把电流环校正成典型型系统。究竟应该如何选择，要根据实际系统的具体要求来决定取舍。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比时，典型型系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此一般多按典型型系统来设计电流环。 电流环的控制对象是双惯性型的。要校正成典型型系统，显然应该采用PI调节器，其传递函数可以写成(s)=式中Ki 电流调节器的比例系数；i电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择 则电流环的动态结构图便成为图5-2所示的典型形式，其中图5-2校正成典型型系统电流环的动态结构图 以上的结果是在一系列假定条件下得出的，现将所用过的假定条件归纳如下，具体设计时，必须校验这些条件。 （二）电流调节器参数的选择电流调节器的参数包括和。时间常数已选定为=Tl ,比例系数取决于所需的和动态性能指标.在一般情况下，希望超调量5时，取阻尼比0.707， 0.5，因此再利用式和得到电流滤波时间常数 三、转速调节器的设计（一）电流环的等效闭环传递函数前已指出，在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节，为此，须求出它的等效传递函数。电流环的闭环传递函数为 转速环的截止频率cn一般较低，因此可降阶近似为 近似条件可由式求出：若按0707，K =05选择参数，则W=近似条件为 取整数，按照电流环闭环传递函数式，电流环原来是一个二阶振荡环节，其阻尼比=0.707，无阻尼自然振荡周期为，近似为一阶惯性环节。当转速环截止频率较低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有一些差别。 最后由于输人信号是/，因而上面求出来的电流闭环传递函数为 = 接在转速环内，其输人信号应该是，因此电流环的等效环节应相应地改成 应该注意的是，如果电流调节器参数选得不是这样，时间常数的大小也要作相应的改变。顺便指出，原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是和，闭环后，整个电流环等效为一个无阻尼自然振荡周期为的二阶振荡环节，或者近似为只有小时间常数2的一阶惯性环节。这就表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。图53转速环的动态结构图及其近似处理(二)转速调节器结构的选择 用电流环的等效环节代替原来的电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图便如图5-3a所示。和前面一样，把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为；再把时间常数为和2 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且=+2，则转速环结构图可简化成图5-3b。由图5-3b可以看出，在负载扰动作用点以后已经有了一个积分环节。为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要型系统。再从动态性能上看，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型型系统恰好能满足这个要求。至于典型型系统阶跃响应超调量大的问题，那是线性条件下的计算数据，实际系统的转速调节器在突加给定后很快就会饱和，这个非线性作用会使超调量大大降低。因此，大多数调速系统的转速环都按典型系统进行设计。由图53b可以明显地看出，要把转速环校正成典型型系统，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。这样，调节系统的开环传递函数为 其中，转速开环增益 不考虑负载扰动时,校正后的调速系统动态结构图示于图53c。上述结果所需服从的假定条件归纳如下 （三）转速调节器参数的选择转速调节器的参数包括和。按照典型型系统的参数选择方法，由式=hT， 再由式，即得ASR的比例系数 至于中频宽h应选多大，要看系统对动态性能的要求来决定。如无特殊表示，一般以选择h=5为好。 与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻和电容的关系为： 四、设计举例 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，基本数据如下直流电动机： 、 、 ，允许过载倍数。晶闸管装置放大系数：电枢回路总电阻：时间常数： 电流反馈系数：转速反馈系数： 设计要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。 （一）电流环的设计 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 三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有（l2），因此取。 （3）电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。 2选择电流调节器结构 根据设计要求：，而且 因此电流环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：。 电流环开环增益：要求时，应取（见表42），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 电流调节器原理图如图4-21，按所用运算放大器取，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42），满足设计要求。 （二）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，取 2选择转速调节器结构 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。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，则 ASR的超前时间常数为 转速环开环增益 于是，ASR的比例系数由式（4-76）为 4校验近似条件 由式（4-24），转速环截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件：。 现在 满足简化条件。（2）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 转速调节器原理图如图 4-25，取，则 6校核转速超调量 由式（4-84），当时，而因此能满足设计要求。 每个环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。如果主要追求的目标是快速响应，那还不如采用单闭环系统，只要用别的措施解决限流保护等问题就可以了。参考文献1陈伯时，电力拖动及自动控制系统，机械工业出版社，2001。2 扬仲平，自动控制系统，煤炭工业出版社，1996。3徐银泉，交流调速系统及其应用，纺织工业出版社，1