双闭环直流调速系统课程设计.doc

课程设计说明书 NO.1双闭环直流调速系统的设计一、设计目的1.融会贯通所学自动控制系统的理论知识，完成直流调速系统较完整的设计过程，加深对所学理论的理解与应用，培养运用基础理论知识和专业知识去解决实际工程问题的能力。2. 学习仿真软件Matlab的应用。二、设计参数及要求1.设计参数额定电压；额定电枢电流；额定转速；电动机在额定磁通下的电动势系数Ce=0.132电机允许过载倍数：；晶闸管整流器放大倍数：；电枢回路总电阻：；滞后时间常数：负载转矩：；机电时间常数：，电流反馈系数：=0.05；转速反馈系数：=0.007 ；开环对数中频宽：2.设计要求电流超调量，启动到额定转速时的转速超调量；三、双闭环直流调速系统的的工作原理3.1.双闭环直流调速系统的组成双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1所示，即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，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO. 2 nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-MTG 环ni外环内环图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器3.2双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性双闭环直流系统的稳态结构图如图2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种。 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图2 双闭环直流系统的稳态结构图 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.33.3.双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图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。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图3 双闭环直流调速系统的动态结构图3.4. 双闭环直流调速系统两个调节器的作用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）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3）起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动。（4）当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.43.5.双闭环直流调速系统的动态过程分析从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和及退饱和三种2情况。第I阶段（0t1）是电流上升阶段。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，使、都上升，但是在没有达到负载电流之前，电动机还不能转动。当后，电动机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压（）的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，,电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。图4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.5 第II阶段（t1t2）是恒流升速阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长（见图4）。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量（图4）。为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和。第III阶段（t2以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，输出电压和主电流也因而下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转矩=，则dn/dt=0，转速n才能到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应,电流出现一段小于的过程,直到稳态。双闭环直流调速系统起动过程的三个特点：1饱和非线性控制当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差系统，而电流内环则表现为电流随动系统。2准时间最优控制在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，使系统最快起动，即在电流受限制条件下使系统最短时间内起动。3转速超调由于PI调节器的特性，只有使转速超调，即在转速调节阶段，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。所以采用PI调节器的双闭环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。3.6.双闭环直流调速系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.63.6.1.跟随性能指标在给定信号或参考输入信号R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的输出量动态响应称作阶跃响应，常用的阶跃响应跟随指标有上升时间、超调量和调节时间。图5 典型的阶跃响应曲线和跟随性能指标（1）上升时间图5绘出了阶跃响应的跟随过程，图中的是输出量C的稳态值。在跟随过程中，输出量从零起第一次上升到所经过的时间称作上升时间，它表示动态响应的快速性。（2）超调量与峰值时间在阶跃响应过程中，超过以后，输出量有可能继续升高，到峰值时间时达到输出量最大值，然后回落。超过稳态值的百分数称作超调量，即超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，系统相对稳定性越好。（3）调节时间调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。理论上，线性系统的输出过渡过程要到才稳定，为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认定稳态值上下5%(或取2%)的范围为允许误差带，以输出量达到并不再超出该误差带所需的时间定义为调节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.73.6.2.抗扰性能指标当调速系统系统稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程，常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间，如图6所示。图6 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标（1）动态降落系统稳定运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量最大降落值称作动态降落。一般用占输出量原稳态值的百分数来表示（或用某基准值的百分数来表示）。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，（）是系统在该扰动作用下的稳态误差，即静差。动态降落一般都大于稳态误差。调速系统突加额定负载时转速的动态降落称作动态速降。（2）恢复时间从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准值的5%（或取2%）范围之内所需的时间，定义为恢复时间，见图6。其中称作抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。如果允许的动态降落较大，就可以新稳态值作为基准值。如果允许的动态降落较小，譬如小于5%（这是常有的情况）则按进入5%范围来定义的恢复时间只能为零，就没有意义了，所以必须选择一个比新稳态值更小的作为基准。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.8四、转速、反馈控制直流调速系统的设计与仿真4.1.电流环的设计(1)确定时间常数三相桥式电路的平均失控时间。电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本虑平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s.(2) 选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I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型电流调节器，其传递函数式为：检查对电源电压的抗扰性能：(3) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求时，取，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：校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件校验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 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.9校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件(5) 计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取40 取0.75 取0.2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4.2.电流环的仿真与分析电流环的仿真模型如图7所示图7 电流环的仿真模型 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.10选中Simulik模型窗口的SimulationConfiguration Parameters菜单项，把Start time和Stop time栏目分别填写为0.0s和0.05s。启动仿真过程，用自动刻度（Autoscale）调整示波器模块所显示的曲线，得到图8所示的曲线。阶跃响应过程和图5所示的跟随性能指标都在曲线中完整的反映出来了。图8 电流环的仿真结果直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。4.3.转速环的设计(1) 确定时间常数电流环等效时间常数。已取，则 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.11转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。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：(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，则ASR的超前时间常数为转速开环增益ASR的比例系数为 (4)检验近似条件转速环截止频率为：电流环传递函数简化条件 满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.12(5)计算调节器电阻和电容转速调节器取，则： 取 取 取(6) 校核转速超调量 当时，不能满足设计要求。实际上，是按照线性系统计算的，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退饱和的情况重新计算超调量。4.4.转速环的仿真与分析转速环的仿真模型如图9所示。图9 转速环的仿真模型为了在示波器模块中反映出转速电流的关系，仿真模型中从Signal Routing组合中选用了Mux模块来把输入聚合成一个向量输出给Scope。双击阶跃输入模块把阶跃设置为10，得到起动的转速与电流响应曲线，如图10所示，ASR调节器经过了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，最终稳定运行于给定转速 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.13图10 转速环空载高速起动波形图在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.14五、心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,并且发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节。此次课程设计我发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，理论联系实际的能力还急需提高,在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，扎扎实实，一步一个脚印地走。在设计完成后并进行仿真，我们利用MATLAB进行仿真，由仿真波形图分析系统特性。在此期间我与同学们互相帮助，不断的修正直到得到满意的结果。我感觉这次课程设计对于巩固课堂所学的理论知识有非常显著的效果，这是我在课堂上所学不到的。课程设计不但