转速电流双闭环直流调速系统设计

电力拖动自动控制系统课程设计设计报告题目：速度电流双闭环DC调速系统设计电气与电力工程学院专攻电气工程和自动化0807级电动学校编号学生姓名胡指导员李兰、王日期是2012年1月13日速度电流双闭环DC调速系统的设计1.设计主题速度和电流双闭环DC调速系统的设计3.设计要求根据电传动自动控制理论和工程设计方法，双闭环速度控制系统的设计步骤如下：1)设计电流调节器的结构和参数，并将电流回路校正为典型的一类系统；2)在简化电流环的情况下，设计了速度调节器的结构和参数，并将速度环校正为典型的二类系统；3) Simulink仿真。4.设计内容1)设计理念：与开环系统相比，带速度负反馈的单闭环系统能有效降低稳态速度降，因为它能随着负载的变化相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路中电阻降的变化。反馈控制闭环速度控制系统采用比例放大器时，依靠调节量的偏差来控制，因此是一个具有静态差率的速度控制系统，而比例积分控制器可以使系统在无静态差的情况下保持恒速，实现无静态差的速度控制。对于电机起动冲击电流和堵转时电机堵转电流，电流截止负反馈可作为限流保护，但这不能控制电流的动态波形。根据反馈控制规律，采用某一物理量的负反馈可以使基本量基本保持不变，采用电流负反馈可以得到近似的恒流过程。此外，在单闭环速度控制系统中，调节器用于合成各种信号，并且参数之间相互影响，因此难以执行调节器的参数速度控制。例如，在带有转速负反馈和电流截止负反馈的单闭环系统中，相同的调节器负责正常负载下的速度调节和过载下的电流调节，并且调节器的动态参数不能保证两种调节过程都具有良好的动态品质。根据电机的理想运行特性，在启动过程中应该只有电流负反馈。达到稳定速度后，只需要速度反馈。双闭环速度控制系统的静态特性在于当负载电流小于最大电流时，速度负反馈起主要作用。当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，以获得电流的自动保护。2)双闭环速度控制系统的组成：A.系统电路示意图图2-1是速度和电流双闭环速度控制系统的示意图。图中，两个调节器ASR和ACR分别是速度调节器和电流调节器，它们串联在一起，即速度调节器的输出作为电流调节器的输入，然后由电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。当前循环称为内部循环。转速环在外面，称为外环。两个调节器输出被限制，ASR输出限制Uim确定电流调节器ACR的给定电压的最大Uim，并控制电机的最大电流；电流调节器ACR输出的限制电压Ucm限制整流器输出的最大电压和最小触发角。B.系统动态结构图图2-2是双闭环速度控制系统的动态结构框图。因为电流检测信号通常包含交流分量，所以必须添加低通滤波，并且必须根据需要选择滤波时间常数Toi。滤波器可以抑制反馈信号中的交流分量，但也会给反馈信号带来延迟。为了平衡这种延迟效应，将具有相同时间常数的惯性环节添加到给定的信号通道，称为给定的滤波环节。它的功能是使给定的信号和反馈信号通过1)按照工程设计方法设计双闭环系统的ACR:设计多回路控制系统的一般原则是从内环开始，逐步向外扩展。这里是：从电流环开始，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作调速系统中的一个环节，然后设计速度调节器。取=3.14来计算，那么机电时间常数，电磁时间常数A.确定时间常数整流滤波时间常数Ts，三相桥式电路的滞后时间常数；电流滤波时间常数Toi，如下所示：电流环路有一个小的时间常数Ti，它由一个小的时间常数来近似，取t i=tstoi=0.0037sB.选择电流调节器结构根据设计要求，i%5%，系统的稳态电流保证无误差，可以根据典型的I型系统进行设计。电流调节器采用PI型，其传递函数为：WACR(s)=检查电源电压的抗扰度：满足要求。C.计算电流调节器参数速度反馈系数：=0.01分钟/小时电流反馈系数：=0.121伏/安提前期常数：电流环路开环增益：当要求i%5%时，应取值，因此：因此，ACR的比例系数为：D.检查近似条件电流回路的截止频率；晶闸管器件传递函数的近似条件如下：现在，满足近似条件；忽略反电动势对电流回路的影响的条件是：=51.23，满足近似条件；小时间常数近似条件的处理条件是：=180.8，满足近似条件。E.计算调节器的电阻和电容电流调节器的原理如图3-1所示。给定R0=40k，电阻和电容值计算如下：拿着。拿1。，取0.2。根据上述参数，电流环能达到的动态指标为i%=4.3%5%，满足设计要求。4)按照工程设计方法设计双闭环系统的ASR:A.确定时间常数电流回路的等效时间常数为：速度过滤时间常数Ton，给定为Ton=0.01s秒；转速环的小时间常数近似为小时间常数，取=。B.选择速度调节器的结构由于设计不需要静态差异，速度调节器必须包括一个完整的环节。根据动态要求，速度环应根据典型的二类系统进行设计，因此ASR选用PI调节器，其传递函数为：C.计算速度调节器参数根据良好跟踪和抗干扰性能的原则，当h=5时，超前时间常数为：速度环开环增益：因此，ASR比例因子：D.检查近似条件速度截止频率：；电流环传递函数的简化条件；现在，满足简化条件；转速环小时间常数的近似条件是：现在=，满足近似条件。E.计算调节器的电阻和电容调速原理图如图3-2所示。既然如此，56万k。，取0.16。拿1。图3-2具有给定滤波和反馈滤波的PI型速度调节器F.检查速度超调查表不符合要求，根据ASR去饱和重新计算超调量当h=5、=81.2和=因此=81.2 (1.5-0)=6.89%，能够满足设计要求。5)内外开环对数幅频特性的比较图4-1在曲线图上绘出了电流回路和转速回路的开环对数幅频特性，其中转动频率和截止频率如下：,上述频率彼此都较小。从计算过程中可以看出，这是一个不可避免的规律。因此，对于以这种方式设计的双闭环系统，外环必须比内环慢。一般来说。外环的响应速度有限，这在根据上述方法设计多环控制系统时是一个缺点。然而，这样，每个环本身是稳定的，这对于系统的组成和调试是非常有益的。总之，多回路系统的设计思想是稳定性优先，稳定性追求速度。1)通过Simulink仿真验证了设计的有效性A.电流闭环模拟这为了研究系统参数对动态性能的影响，分别取KI TSi=0.39、0.50、0.69和1.00。此时，KI的价值也将改变。通过运行仿真，可以获得不同KI值的阶跃响应曲线：图6-1 KT=0.39阶跃响应曲线图6-2KT=0.50阶跃响应曲线图6-3 KT=0.69阶跃响应曲线图6-4 KT=1.00时的阶跃响应曲线从曲线可以看出，如果需要快速动态响应，KT=0.69-1.0是优选的。如果要求系统超调小，KT值应该小，最好是KT0.39。没有特殊要求，折衷值KT=0.5称为最佳二阶系统。图6-1至6-4反映了PI调节器参数对系统质量的影响趋势。在工程设计中，可以根据工艺要求直接修改PI调节器的参数，以找到具有满意的超调量和动态响应速度的电流环调节器。B.转速环的仿真设计增加速度环调节后，速度环的开环传递函数如下：修正后的调速系统的动态结构框图如下：其中。在matlab中建立系统模型，如下图所示：速度环的仿真设计为了满足不同要求下系统的跟踪和抗干扰性能要求，h分别取为3、5、7和9。Matlab仿真结果如下：图7-1H=3时的阶跃响应曲线图7-2H=5时的阶跃响应曲线图7-3H=7时的阶跃响应曲线图7-4H=9时的阶跃响应曲线从图中可以看出，H值越小，动态着陆越小，恢复时间和调整时间越短，抗干扰性能越好。然而，从h5开始，冲击强度H越小，恢复时间越长。总的来说，h=5是最好的选择，也就是说，最好的三阶系统。电流回路和转速回路的参数根据实际需要进行调整。通过对一类系统和二类系统的比较，可以发现一类系统跟踪超调量小，但抗干扰性能差。然而，二类系统具有较大的超调量和良好的抗干扰性能。5.设计体验A.通过本次设计，我更加熟悉了电流和速度双闭环DC调速系统的结构和工作原理，加深了我对开环、闭环速度控制有无静态差的理解闭环结构保证了系统的稳定性和抗干扰能力；无静差调速保证了系统稳态误差小。B.这样也初步掌握了双闭环调节器的整个设计过程，其基本思想是先用内环，后用外环。在处理结构框图的过程中，有许多近似处理，简化了传递函数，从而简化了问题。因此，它被称为“工程设计方法”。这意味着在实际应用中，这种可以大大简化分析过程但对分析结果影响很小的方法是非常有价值的。从开环到闭环，从无静态误差的闭环到静态误差的闭环，以及从单环到有一些列的双环的变化显示出已知的渐进性。C.matlab仿真是在临时拿起matlab教材并再次复习后才完成的。仿真直