电气传动自动控制系统课程设计

课课 程程 设设 计计 报报 告告 书书 题题 目 目 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 报报告告人人 王宗禹王宗禹 学学 号 号 班班 级 级 20102010 级级 3434 班班 指导教师 指导教师 肖勇肖勇 完成时间 完成时间 20132013 年年 7 7 月日月日 同同组组人人 王大松王大松 秦秦 缘缘 龚龚 剑剑 电气信息学院专业实验中心电气信息学院专业实验中心 一 设计任务一 设计任务 1 设计目标 设计目标 1 系统基本功能 系统基本功能 该调速系统能进行平滑的速度调节 负载电机不可逆运行 系统在工该调速系统能进行平滑的速度调节 负载电机不可逆运行 系统在工 作范围内能稳定工作作范围内能稳定工作 2 2 已知条件 已知条件 3 稳态 稳态 动态指标动态指标 静态 静态 s s 5 5 D D 3 3 动态 动态 i i 5 5 n n 10 10 4 4 期望调速性能示意说明期望调速性能示意说明 静差率小于静差率小于 5 5 调速范围 调速范围 D 3 D 3 5 5 系统电路结构示意图 系统电路结构示意图 2 2 客观条件 客观条件 1 1 使用设备列表清单及主要设备功能描述 使用设备列表清单及主要设备功能描述 二 系统建模 系统固有参数测定实验内容 二 系统建模 系统固有参数测定实验内容 1 1 实验原理实验原理 1 1 变流电源内阻 变流电源内阻 RnRn 的测定 的测定 a a 电路示意图如下 电路示意图如下 可以等效如下 可以等效如下 b b 利用伏安法可以测出内阻利用伏安法可以测出内阻 R R n n 的大小 方法是在电机静止 电枢回路外串限流电阻 固的大小 方法是在电机静止 电枢回路外串限流电阻 固 定控制信号定控制信号 UctUct 大小 大小 0 5A Id0 5A Id 1A 1A 的条件下用伏安法测量的条件下用伏安法测量 Ud1Ud1 Id1Id1 和和 Ud2Ud2 Id2Id2 利用公式可以求得利用公式可以求得 RnRn 2 2 电枢内阻 电枢内阻 RaRa 平波电感内阻 平波电感内阻 RdRd 的测定 的测定 a a 电路示意图如下 电路示意图如下 b b 实验方法步骤 实验方法步骤 电机静止 电枢回路外串限流电阻电机静止 电枢回路外串限流电阻 固定控制信号固定控制信号 Uct 大小 大小 Id 1A 额定负载热效点额定负载热效点 使电枢处于三个不同位置 如上图约使电枢处于三个不同位置 如上图约 120120o o对称 进行三次测量对称 进行三次测量 Ura Ura UrdUrd Id Id 求 求 RaRa RdRd 的平均值的平均值 3 3 电动机电势转速系数电动机电势转速系数 CeCe 的测定 的测定 a a 实验原理 实验原理 由公式由公式 可以推导出可以推导出 CeCe 的测定公式 的测定公式 b b 实验方法步骤 实验方法步骤 空载启动电机并稳定运行 空载启动电机并稳定运行 Id0大小基本恒定 大小基本恒定 给定两个大小不同的控制信号给定两个大小不同的控制信号 Uct 测量两组稳定运行时的 测量两组稳定运行时的 Ud n 数据数据 4 整流电源放大系数整流电源放大系数 KsKs 的测定 的测定 a a 实验原理 实验原理 KsKs 可以根据公式可以根据公式 Ud0 Ks UctUd0 Ks Uct 可知可知 KsKs 就是以就是以 UctUct 为横坐标为横坐标 Ud0Ud0 为纵坐标的如下图曲线中线为纵坐标的如下图曲线中线 性段的斜率 故可以通过公式性段的斜率 故可以通过公式测定测定 Ks Ks b b 实验方法步骤 实验方法步骤 分级调节控制信号分级调节控制信号 Uct 大小 并保持大小 并保持 Id 1A 在在 Ud0有效范围内 测量每一组有效范围内 测量每一组 Uct Ud Id 数据应大于 数据应大于 10 组以上 测量上限不组以上 测量上限不 低于最大理想空载整流输出电压低于最大理想空载整流输出电压 Ud0max 按按 Ud0 Ud Id Rn 作出电源输入作出电源输入 输出特性曲线输出特性曲线 用用 Excel 生成生成 取线性段取线性段 3 段以上斜率 求其平均值得段以上斜率 求其平均值得 Ks 5 5 电枢回路电磁时间常数 电枢回路电磁时间常数 TLTL 的测定 的测定 a a 电路示意图 电路示意图 b b 实验原理 可以根据公式实验原理 可以根据公式 L Ld LaL Ld La 与与 TL L R TL L R 求得求得 TLTL c c 实验方法步骤 实验方法步骤 断开电枢回路连线断开电枢回路连线 使用电感表测量电枢回路总电感量使用电感表测量电枢回路总电感量 L L 6 6 电枢回路机电时间常数电枢回路机电时间常数 TmTm 的测定 的测定 a a 实验原理 由下列公式可以推导出实验原理 由下列公式可以推导出 TmTm 的公式的公式 b b 实验方法步骤 实验方法步骤 电机空载 突加给定 并使起动峰值电流达到系统设定最大电流电机空载 突加给定 并使起动峰值电流达到系统设定最大电流 I Idm dm 记录记录 idid 波形 由下列公式计算波形 由下列公式计算 TmTm 2 2 原始数据原始数据 1 1 Ud1Ud1214V214VId1Id10 5A0 5A Ud2Ud2207V207VId2Id21 0A1 0A 2 2 UrdUrdUraUraIdId 11 88V11 88V20 68V20 68V 1A1A 11 82V11 82V 20 59V20 59V 1A1A 11 88V11 88V 20 65V20 65V 1A1A 3 3 Ud V Ud V n r min n r min 7878537537 144144999999 4 4 Ud V Ud V Id A Id A Uct V Uct V 2862860 800 804 5854 585 2682680 750 753 4443 444 2512510 700 702 8252 825 2332330 650 652 3592 359 2132130 600 601 9911 991 1951950 550 551 7291 729 1781780 500 501 5211 521 1571570 450 451 3061 306 1381380 400 401 1411 141 1181180 350 350 9890 989 1021020 300 300 8780 878 84840 250 250 7730 773 67670 200 200 6560 656 5 5 LdLdLaLa 671mH671mH345mH345mH 6 6 实验波形如下 实验波形如下 3 3 数据处理数据处理 1 Rn 1 Rn Ud2 Ud1Ud2 Ud1 Id1 Id2Id1 Id2 207 214207 214 0 5 1 00 5 1 0 14 14 2 Rd 1 3 2 Rd 1 3 11 88V 1A 11 82V 1A 11 88V 1A11 88V 1A 11 82V 1A 11 88V 1A 11 86 11 86 Ra 1 3 Ra 1 3 20 68V 1A 20 59V 1A 20 65V 1A20 68V 1A 20 59V 1A 20 65V 1A 20 64 20 64 3 Ce Ud2 Ud1 n2 n1 144 78 999 537 V min r 0 1428 3 Ce Ud2 Ud1 n2 n1 144 78 999 537 V min r 0 1428 V min rV min r 4 4 用用 Excel 处理 可以用公式处理 可以用公式 Ud0 Ud Id RnUd0 Ud Id Rn 直接生成直接生成 Ud0Ud0 这一列的结果 表格如下 这一列的结果 表格如下 Ud V Ud V Id A Id A Ud0 V Ud0 V Uct V Uct V 2862860 800 80 297 2297 24 5854 585 2682680 750 75 278 5278 53 4443 444 2512510 700 70 260 8260 82 8252 825 2332330 650 65 242 1242 12 3592 359 2132130 600 60 221 4221 41 9911 991 1951950 550 55 202 7202 71 7291 729 1781780 500 50 1851851 5211 521 1571570 450 45 163 3163 31 3061 306 1381380 400 40 143 6143 61 1411 141 1181180 350 35 122 9122 90 9890 989 1021020 300 30 106 2106 20 8780 878 84840 250 25 87 587 50 7730 773 67670 200 20 69 869 80 6560 656 再用再用 Excel 插入散点图功能生成如下图形 插入散点图功能生成如下图形 取图中线性段四段求斜率如下 取图中线性段四段求斜率如下 Ks1 Ks1 106 2 69 8 0 878 0 656 164 106 2 69 8 0 878 0 656 164 Ks2 143 6 106 2 1 141 0 878 142Ks2 143 6 106 2 1 141 0 878 142 Ks3 185 143 6 1 521 1 141 109Ks3 185 143 6 1 521 1 141 109 Ks4 221 4 185 1 991 1 521 77Ks4 221 4 185 1 991 1 521 77 求得平均值 求得平均值 Ks 164 142 109 77 4 123Ks 164 142 109 77 4 123 5 L Ld La 671mH 345mH 1016mH 5 L Ld La 671mH 345mH 1016mH TL L R L Rn Ra Rd 1016mH 14 20 64 11 86 21 8ms 0 0218sTL L R L Rn Ra Rd 1016mH 14 20 64 11 86 21 8ms 0 0218s 6 6 通过作图工具处理如下 通过作图工具处理如下 可以知道可以知道 s 的面积是的面积是 10 75 1 4 8A 50ms 94 0625A ms 由此可以计算出由此可以计算出 Tm s Idm Idz 94 0625A ms 7 1 4 8A 0 0767s 4 4 实验结果实验结果 电动机电动机电枢内阻电枢内阻 R Ra a 20 64 20 64 电势转速系数电势转速系数 CeCe 0 14280 1428 V min rV min r 整流电源整流电源等效内阻等效内阻 R Rn n 14 14 放大系数放大系数 KsKs 123123 平波电感平波电感直流内阻直流内阻 R Rd d 11 86 11 86 电枢回路电枢回路总电阻总电阻 R R R Ra a R Rn n R Rd d46 5 46 5 电磁时间常数电磁时间常数 T TL L 0 0218s0 0218s 机电时间常数机电时间常数 T Tm m 0 0767s0 0767s 三 系统设计三 系统设计 1 1 系统理论设计内容 系统传递函数结构图 设计步骤 系统理论设计内容 系统传递函数结构图 设计步骤 PIPI 参数计算及电路实现结果等 参数计算及电路实现结果等 1 1 系统设计理论 系统设计理论 控制系统的动态性能指标 控制系统的动态性能指标 动态性能指标总结 动态性能指标总结 1 1 跟随性能 跟随性能 超调量超调量 反映系统的动态调节稳定性能反映系统的动态调节稳定性能 上升时间上升时间 trtr 反映系统的动态调节快速性能反映系统的动态调节快速性能 调节时间调节时间 tsts 反映系统的动态调节过渡周期反映系统的动态调节过渡周期 2 2 抗扰性能 抗扰性能 动态降落比动态降落比 C Cmax max 反映系统扰动引起的最大动态误差 反映系统扰动引起的最大动态误差 恢复时间恢复时间 trtr 反映系统的动态抗扰调节快速性能反映系统的动态抗扰调节快速性能 上述指标对应的给定和扰动均为上述指标对应的给定和扰动均为阶跃信号阶跃信号 调节器的工程设计方法 调节器的工程设计方法 工程设计方法 工程设计方法 在设计时 把实际系统校正或简化成典型系统 可以利用现成的公式和图表来进行参在设计时 把实际系统校正或简化成典型系统 可以利用现成的公式和图表来进行参 数计算 设计过程简便得多 数计算 设计过程简便得多 调节器工程设计方法所遵循的原则是 调节器工程设计方法所遵循的原则是 1 1 概念清楚 易懂 概念清楚 易懂 2 2 计算公式简明 好记 计算公式简明 好记 3 3 不仅给出参数计算的公式 而且指明参数调整的方向 不仅给出参数计算的公式 而且指明参数调整的方向 4 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 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 5 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统 在典型系统设计的基础上 利用在典型系统设计的基础上 利用 MATLAB SIMULINKMATLAB SIMULINK 进行计算机辅助分析和设计 可设进行计算机辅助分析和设计 可设 计出实用有效的控制系统 计出实用有效的控制系统 控制系统的开环传递函数都可以表示成 控制系统的开环传递函数都可以表示成 3 9 分母中的分母中的s sr r项表示该系统在项表示该系统在s s 0 0 处有处有r r重极点 或者说 系统含有重极点 或者说 系统含有r r个积分环节 个积分环节 称作称作r r型系统 型系统 为了使系统对阶跃给定无稳态误差 不能使用为了使系统对阶跃给定无稳态误差 不能使用 0 0 型系统 型系统 r r 0 0 至少是 至少是 型系统 型系统 r r 1 1 当给定是斜坡输入时 则要求是 当给定是斜坡输入时 则要求是 型系统 型系统 r r 2 2 才能实现稳态无差 才能实现稳态无差 选择调节器的结构 使系统能满足所需的稳态精度 由于选择调节器的结构 使系统能满足所需的稳态精度 由于 型 型 r r 3 3 和 和 型以上的型以上的 系统很难稳定 而系统很难稳定 而 0 0 型系统的稳态精度低 因此常把型系统的稳态精度低 因此常把 型和型和 型系统作为系统设计的型系统作为系统设计的 目标 目标 典型典型 型系统 型系统 作为典型的作为典型的 I I 型系统 其开环传递函数选择为型系统 其开环传递函数选择为 3 103 10 式中 式中 T T 系统的惯性时间常数 系统的惯性时间常数 K K 系统的开环增益 系统的开环增益 对数幅频特性的中频段以对数幅频特性的中频段以 20dB dec 20dB dec 的斜率穿越零分贝线 只要参数的选择能保证足的斜率穿越零分贝线 只要参数的选择能保证足 够的中频带宽度 系统就一定是稳定的 够的中频带宽度 系统就一定是稳定的 只包含开环增益只包含开环增益K K和时间常数和时间常数T T两个参数 时间常数两个参数 时间常数T T往往是控制对象本身固有的 往往是控制对象本身固有的 唯一可变的只有开环增益唯一可变的只有开环增益K K 设计时 需要按照性能指标选择参数 设计时 需要按照性能指标选择参数K K的大小 的大小 典型典型 型系统的对数幅频特性的幅值为 型系统的对数幅频特性的幅值为 得到得到 相角裕度为相角裕度为 K K值越大 截止频率值越大 截止频率 c c 也越大 系统响应越快 相角稳定裕度也越大 系统响应越快 相角稳定裕度 越小 快速性与稳越小 快速性与稳 定性之间存在矛盾 定性之间存在矛盾 在选择参数在选择参数 K K时 须在快速性与稳定性之间取折衷 时 须在快速性与稳定性之间取折衷 动态跟随性能指标 动态跟随性能指标 典型典型 型系统的闭环传递函数为型系统的闭环传递函数为 过阻尼动态响应较慢 一般把系统设计成欠阻尼 即过阻尼动态响应较慢 一般把系统设计成欠阻尼 即 0 0 1 1 超调量超调量 3 133 13 上升时间上升时间 3 143 14 峰值时间峰值时间 3 153 15 当调节时间在当调节时间在 误差带为 误差带为的条件下可近似计算得的条件下可近似计算得 3 163 16 截止频率 按准确关系计算 截止频率 按准确关系计算 3 173 17 相角稳定裕度相角稳定裕度 3 183 18 动态抗扰性能指标 动态抗扰性能指标 影响到参数影响到参数K K的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系 的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系 典型典型 型系统已经规定了系统的结构 分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用型系统已经规定了系统的结构 分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用 点 点 某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点 某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点 电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节 电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节 采用采用 PIPI 调节器调节器 在计算抗扰性能指标时 为了方便起见 输出量的最大动态降落在计算抗扰性能指标时 为了方便起见 输出量的最大动态降落 C Cmax max用基准值 用基准值C Cb b的的 百分数表示 百分数表示 所对应的时间所对应的时间t tm m用时间常数用时间常数T T的倍数表示 的倍数表示 允许误差带为允许误差带为 5 5 C Cb b时的恢复时间时的恢复时间t tv v也用也用T T的倍数表示 的倍数表示 取开环系统输出值作为基准值 即取开环系统输出值作为基准值 即C Cb b FkFk2 2 3 21 3 21 典型典型 型系统 型系统 典型典型 型系统的开环传递函数表示为 型系统的开环传递函数表示为 3 223 22 典型典型 IIII 型系统的时间常数型系统的时间常数T T也是控制对象固有的 而待定的参数有两个 也是控制对象固有的 而待定的参数有两个 K K 和和 定义中频宽 定义中频宽 3 23 3 23 中频宽表示了斜率为中频宽表示了斜率为 20dB sec20dB sec 的中频的宽度 是一个与性能指标紧密相关的参数 的中频的宽度 是一个与性能指标紧密相关的参数 图图 3 133 13典型典型 型系统型系统 a a 闭环系统结构图闭环系统结构图 b b 开环对数频率特性开环对数频率特性 3 24 3 24 改变改变K K相当于使开环对数幅频特性上下平移 此特性与闭环系统的快速性有关 相当于使开环对数幅频特性上下平移 此特性与闭环系统的快速性有关 系统相角稳定裕度为 系统相角稳定裕度为 比比T T大得越多 系统的稳定裕度就越大 大得越多 系统的稳定裕度就越大 采用采用 振荡指标法振荡指标法 中的闭环幅频特性峰值最小准则 可以找到和两个参数之间的一中的闭环幅频特性峰值最小准则 可以找到和两个参数之间的一 种最佳配合 种最佳配合 3 25 3 25 3 26 3 26 在确定了在确定了 h h 之后 可求得 之后 可求得 3 29 3 29 3 30 3 30 动态跟随性能指标 动态跟随性能指标 按按 MrMr 最小准则选择调节器参数 典型最小准则选择调节器参数 典型 型系统的开环传递函数为型系统的开环传递函数为 系统的闭环传递函数系统的闭环传递函数 当当R R t t 为单位阶跃函数时 为单位阶跃函数时 则 则 3 31 3 31 动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标 在扰动作用点前后各有一个积分环节 用在扰动作用点前后各有一个积分环节 用 作为一个扰动作用点之前的控作为一个扰动作用点之前的控 制对象制对象 取取 于是于是 3 333 33 3 323 32 在阶跃扰动下在阶跃扰动下 按按M Mrmin rmin准则确定参数关系 准则确定参数关系 3 343 34 取取 2T2T 时间内的累加值作为基准值时间内的累加值作为基准值 C Cb b 2FK2FK2 2T T 3 353 35 由表由表 3 53 5 中的数据可见 中的数据可见 h h 值越小值越小 也越小 也越小 tmtm 都短 因而抗扰性能都短 因而抗扰性能 越好 越好 但是 当但是 当 h 5h T T i i 选择 选择 i i T Ti i 用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点 用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点 3 503 50 希望电流超调量希望电流超调量 i i 5 5 选 选 0 707 0 707 K KI I T T i i 0 5 0 5 则 则 模拟式电流调节器电路模拟式电流调节器电路 U U i i 电流给定电压 电流给定电压 I Id d 电流负反馈电压 电流负反馈电压 U Uc c 电力电子变换器的控制电压 电力电子变换器的控制电压 按典型按典型 型系统设计的电流环的闭环传递函数为型系统设计的电流环的闭环传递函数为 采用高阶系统的降阶近似处理方法 忽略高次项 可降阶近似为采用高阶系统的降阶近似处理方法 忽略高次项 可降阶近似为 降价近似条件为降价近似条件为式中 式中 cn cn 转速环开环频率特性的截止频率转速环开环频率特性的截止频率 电流环在转速环中等效为电流环在转速环中等效为 电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的一电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的一 阶惯性环节 阶惯性环节 加快了电流的跟随作用 这是局部闭环 内环 控制的一个重要功能 加快了电流的跟随作用 这是局部闭环 内环 控制的一个重要功能 2 2 转速调节器的设计 转速调节器的设计 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 U n n s s 把时间常数为把时间常数为 1 1 K KI I 和和 T Ton on 的两个小惯性环节合并 的两个小惯性环节合并 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 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 I IdL dL s s 是负载扰动 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 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 转速开环传递函数应有两个积分环节 按典型转速开环传递函数应有两个积分环节 按典型 型系统设计 型系统设计 ASRASR 采用采用 PIPI 调节器调节器 K Kn n 转速调节器的比例系数 转速调节器的比例系数 n n 转速调节器的超前时间常数 转速调节器的超前时间常数 调速系统的开环传递函数为调速系统的开环传递函数为 令转速环开环增益令转速环开环增益K KN N为为 则则 无特殊要求时 一般以选择无特殊要求时 一般以选择h h 5 5 为好 为好 模拟式转速调节器电路模拟式转速调节器电路 U U n n 转速给定电压 转速给定电压 n n 转速负反馈电压 转速负反馈电压 U U i i 电流调节器的给定电压 电流调节器的给定电压 3 3 转速调节器退饱和时转速超调量的计算