自动控制论文.doc

2010年12月 自动控制原理期末考试论文徐州师范大学试卷（2010-2011学年度 1 学期）课程名称 ： 自动控制原理 试卷类型：（开卷） 学 院 电气工程及自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导老师 双闭环直流调速系统设计 摘要：双闭环直流调速系统机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，采用双闭环调节具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。直流调速系统PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统为了实现转速和电流两种负反，馈分别起作用，可在调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。关键词：直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器 Double closed loop dc speed control system designXuzhou Chen Zhan Qin(xuzhou normal university institute of electrical engineering and automation 221116)Abstract :Double closed loop dc speed control system mechanical characteristic hard, wide range of speed, and is stepless speed regulation, so can of dc motor for pressure regulating speed. Dynamic and static performance is good, anti interference performance preferred. Adjustable speed and resistance to load and the disturbance, adopt double closed loop speed regulating has wide range, high accuracy, good dynamic performance and easy to control the advantages in the Laplace domain disturbance without steady-state error, and has good performance and speed loop crosstalk resistant design into typical type system. Dc speed control system PI adjuster, can obtain good dynamic and static effect. Current loop correction into typical type I system. For the system to realize speed and current two negative feedback effect against, respectively, can be in regulating system design two regulator, respectively introduced the current negative feedback speed negative feedback and. Implement nested connection between them. The speed regulator output as current regulator of input, reoccupy current regulator output to control power electronic converters UPE. From closed loop of the structure, current loop inside, called the inner loop, Speed loop outside, called outer ring, forming speed and the current double closed loop speed regulation system. Keywords：dc speed control double closed loop speed regulator current regulator1调速系统总体设计双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。如图所示给定电压Un速度调节器电流调节器三相集成触发器三相全控桥直流电机转速检测电流检测Un+UcUdU*i+IdId图1 系统结构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。这样构成的双闭环直流调速系统。其原理图如图2所示：图2 双闭环直流调速系统原理图双直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响1.1闭环调速的工作过程和原理双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。ASR+-ACR+UcUd0Id-IdL+-nE电流内环转速外环图1-1转速、电流双闭环调速系统的动态结构图：由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，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，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，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。2.直流双闭环调速系统电路设计2.1晶闸管-电动机主电路的设计 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图2-2所示：图2-1 V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图2-3所示：图2-2 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。该三相全控桥式整流电路中变压器的二次侧串一电阻是保护元器件，使能量得以释放，以保证晶闸管装置的可靠工作。2.2电流调节器设计如图2-3图2-3电流调节器2.21确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数。三相电路的平均失控时间：=0.0017s (2) 电流滤波时间常数。=0.00335s (3) 电流环最小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取为：=+=0.00505s 选择电流调节器结构假设要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为： = 检查对电源电压的抗扰性能：电磁时间常数TL=0.0216s 符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都可以接受。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.0216s。 电流环开环增益：要求5%，应取=0.5，因此： 于是，ACR的比例系统为：计算调节器电阻和电容取运算放大器的=20，有=3.3720=67,，取3，取0.2。故=1923速度调节器设计如图2-5图2-4速度调节器2.3.1确定时间常数(1)电流环等效时间常数 2Ti=0.0101s (2)转速滤波时间常数=0.00335s (3)转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取： 选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： 计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为：n= hTn0.673s并且求得转速环开环增益为： 则可得ASR的比例系数为： 2.3.2计算调节器电阻和电容取=20，则，取1550。，取0.04故=12243.3转速检测电路设计转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速，如图2-55所示：图2-5转速检测电路3.3.1电流检测电路设计使用霍尔电流传感器可以检测电流，把接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图2-6所示：图2-6电流检测电路3.双闭环直流调速系统起动时的仿真及各部分的作用3.1系统运行过程中转速与时间的关系和电流与时间的关系如图 3-1由此可得：双闭环调速系统采用PI调节规律，它不同于P调节器的输出量总是正比与其输入量，PI调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来决定的。3.1.1仿真波形分析从图4的波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第阶段：电流上升阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.第阶段：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n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段：转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时其调节作用。根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用归纳为： 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，在外环转速的调节过程中，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。4.双闭环系统的稳定性能的分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。1 抗负载扰动由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。2 抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用