双闭环直流调速系统课 程 设 计 报 告 书

1、课 程 设 计 报 告 书题 目：电气传动自动控制系统报告人： 学 号： 班 级： 指导教师： 完成时间： 年 月 日 同组人： 电气信息学院专业实验中心目录：第一部分：设计任务1.任务分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32.设计目标. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33.设计理论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2、 . . . . .43.客观条件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6第二部分：系统建模1. 系统固有参数测定实验内容. . . . . . . . . . . . . . . . . 7第三部分：系统设计1.系统理论设计内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.Matlab仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17第四部分：系统调试1.

3、 单元调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222. 系统调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22第五部分：系统评估1. 系统实际性能评价. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272. 系统误差分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273. 必要的实验问题分

4、析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28第六部分：总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28第七部分：参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29第七部分：原始数据单. . . . . . . . . . . . . . . . . 第一部分：设计任务1.任务分析采用转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，

5、为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR都采用PI调节器,以便能保证系统获得良好的静态和动态性能转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用是减小转速误差，采用PI调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅决定电动机允许的最大电流;电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用是使电流紧紧跟随其给定电压的变化；对电网的波动起及时抗干扰作用；加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用2.设计目标：*性能指标：静态： s% 5% D = 3动态： si%

6、5% sn% 10% *已知条件：最大速度给定 U*nm = 5v最大电流给定 U*im = 5v最大电枢电流 Idm = 1.4A电流反馈强b = 5v/ 1.4A 速度反馈强度 a = 5v/ 1450rpm调节器输入电阻 R0 = 20KW调节器输入滤波电容 C0i = 0.224mF Con= 0.104mF*系统电路结构示意图：3.设计理论：（1）设计思路： 给定系统静、动态性能指标 实验获取系统固有设备原始参数 系统数学建模 系统模型处理（典型化） 设计调节器结构和参数 构建和调试系统（2）调速控制系统的一般动态性能指标：1. 跟随性能超调量s（%） 反映系统的动态调节稳定性能上升

7、时间 tr 反映系统的动态调节快速性能调节时间 ts 反映系统的动态调节过渡周期2. 抗扰性能动态降落比 Cmax% 反映系统扰动引起的最大动态误差恢复时间 tr 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阶跃信号（3）典型结构系统的参数与性能的关系*典型型系统； 开环传递函数结构简单，易于稳定*典型型系统； 开环传递函数利用比例微分环节，补偿 s2 引起的相位滞后，保证稳定性*典型型系统的稳态及动态性能与参数 二阶系统闭环传递函数：典型型系统特性参数：；固有角频率；阻尼比*典型型系统的参数KT与跟随性能稳态跟随性能： 动态跟随性能：典型型系统的抗扰性能： u 假定系统经串联校

8、正后开环传函为 W(s)u 系统前向通道被扰动输入点分为W1(s)、W2(s)两部分u 其中W1(s)内含 PI 调节器典型型系统的稳态及动态性能与参数 典型型系统特征参数：；中频宽（4）非典型型系统的典型化之一择选调节器结构的一般原则：1. 根据系统调节性能要求，选择典型、 型系统目标模型2. 调节器串联进原始对象模型的前向通道后，通过传递函数的乘积或对消运算应能将系统改造为 期望 的典型或 型系统结构（5）非典型型系统的典型化之二当系统的原始模型具有高阶较复杂形式时的一般处理：1. 小惯性环节的近似处理2. 高阶系统的降阶近似处理3. 大惯性环节的近似处理特别提示：每一种近似处理都存在工程

9、约束条件，使用时须校验是否满足约束条件（6）双环调速系统动态结构示意图系统设计的一般原则：“先内环后外环”，从内环开始，逐步向外扩展。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4.客观条件：使用设备列表清单：电力电子及电气传动教学实验台 MCLIII电动机数字万用表GDM8145示波器TDS 2012第二部分：系统建模系统建模参数测定实验待测参数：1. 电动机 电枢内阻 Ra 电势转速系数 Ce2. 整流电源 等效内阻 Rn 放大系数 Ks3. 平波电感 直流内阻 Rd4. 电枢回路 总电阻 R= Ra+ Rn+ Rd 电磁时间常数 TL 机电

10、时间常数 Tm1.变流电源内阻Rn的测定( 伏安法 )实验原理：条件：电机静止，电枢回路外串限流电阻 固定控制信号 Uct 大小，0.5AId 1A 原始数据：Uct=1.3v时：Ud1=173v ,Id1=0.5AUd2=169v ,Id2=0.8A数据处理：Rn=(Ud2-Ud1)/(Id1-Id2)=(169-173)/(0.5-0.8)=13.332.电枢内阻 Ra、平波电感内阻 Rd测定( 伏安法 )实验原理：（1）电机静止，电枢回路外串限流电阻（2）固定控制信号 Uct 大小，Id 1A(额定负载热效点)（3）使电枢处于三个不同位置（约120o对称）进行三次测量(Ura，Urd，I

11、d)，求 Ra ，Rd 的平均值原始数据：Uct=1.3v ,Id=1A时：角度（度）Ura(v)Urd(v)Id(A)021.1711.85112021.1511.84124021.3612.031数据处理：Ra1=Ura1/Id1=21.17/1=21.17Ra2=Ura2/Id2=21.15/1=21.15Ra3=Ura3/Id3=21.36/1=21.36Ra=(Ra1+Ra2+Ra3)/3=(21.17+21.15+21.36)/3=21.23同理：Rd=(Rd1+Rd2+Rd3)/3=(11.85+11.84+12.03)/3=11.91所以，电枢回路总电阻R=Rn+Ra+Rd =

12、13.33+21.23+11.91 =46.473.电动机电势转速系数Ce的测定实验原理：1. 空载启动电机并稳定运行（Id0大小基本恒定）2. 给定两个大小不同的控制信号 Uct ，测量两组稳定运行时的Ud、n数据原始数据：Id0=0.1A时：Uct(v)Ud(v)n(rpm)0.801429601.301991360数据处理：Ce=(Ud2-Ud1)/(n2-n1) =(199-142)/(1360-960) =0.1425v/rpm所以，Ud0max=Ce*N+R*Idm =0.1425*1450+46.47*1.4 =271.68v4.整流电源放大系数 Ks的测定实验原理：电机静止，电

13、枢回路外串限流电阻（1）分级调节控制信号 Uct 大小，并保持Id 1A（2）在Ud0有效范围内，测量每一组 Uct ，Ud，Id，数据应大于10 组以上，测量上限不低于最大理想空载整流输出电压Ud0max（3）按 Ud0 = Ud+IdRn 作出电源输入-输出特性曲线(用Excel生成)（4）取线性段3段以上斜率，求其平均值得Ks原始数据：Uct(v)Ud(v)Id(A)Ud0= Ud+IdRn0.821080.2110.670.981310.25134.331.161550.3160.001.191580.35162.671.401800.40185.331.612000.45206.00

14、1.882200.5226.672.172370.55244.332.722600.60268.002.902650.65273.663.882860.70295.334.472930.75303.009.183110.80321.66数据处理：由图可知，前6个点构成的曲线为线性段，故取前6个点对应的值计算Ks。Ks1=(Ud03-Ud01)/(Uct3-Uct1)=145.09Ks2=(Ud04-Ud04)/(Uct4-Uct4)=134.94Ks3=(Ud05-Ud05)/(Uct5-Uct5)=105.54Ks4=(Ud06-Ud06)/(Uct6-Uct6)=103.17Ks=(Ks1

15、+Ks2+Ks3+Ks4)/4=122.25. 电枢回路电磁时间常数 TL的测定实验原理：断开电枢回路连线使用电感表测量电枢回路总电感量 原始数据：La=0.3H Ld=0.65H数据处理：L=La+Ld=0.95H TL=L/R=0.02s5. 电枢回路机电时间常数 Tm的测定实验原理：（1）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Idm（2）记录 id 波形，由下列公式计算Tm实验测得波形：数据处理：Tm=S/(Idm-Idz) =8.38*1v*50ms/7v =0.06s第三部分：系统设计1. 系统理论设计内容（1） 双环调速系统电流调节器（ACR ）的设计*设计理论

16、E0，断开电机电动势反 T i=Ts+Toi，小时间常数近似处理 将电流环校正为典型型系统，保证电流调节有较强跟随性； 由性能指标及所选结构确定开环增益KI和比例放大系数 Ki ； Ki = Ri/R0 ti = RiCi ；电流调节器的实现*电流调节器的设计1.确定时间常数：a）整流装置滞后时间常数Ts。三相桥是电路的平均失控时间Ts=0.0017s。b）电流滤波时间常数T0i=1/4*R0*C0i=0.00112sc)电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.00282s2.选择电流调节器结构 根据设计要求si5%,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

17、性型的，因此可用PI型电流调节器。3.计算电流调节器参数a)电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.02s.b)电流环开环增益：要求si5%，应取KI*Ti=0.5,因此 KI=0.5/ Ti=0.5/0.00282=177.3/s于是，ACR的比例系数为Ki=KI*i*R/(Ks*)=177.3*0.02*46.47/(122*5/1.4) =0.3784.校验近似条件电流环截止频率：Wci=KI=177.3/sa) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/(3*Ts)=196.1/sWci 满足近似条件。b）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足条件。c)电流环小时间常数近视处理条件 满足

18、近似条件。6. 计算调节器电阻和电容已知R0=20k,各电阻和电容值为：Ri=KiR0=7.55k Ci=按上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。7. 计算PI参数Ki=0.378 , =0.02s传递函数=0.378+（2） 双环调速系统速度调节器（ASR ）的设计*设计理论 电流环等效处理 ； T n = 2T i +Ton ，小时间常数近似处理 ； 将速度环校正为典型型系统，保证速度调节有较强抗扰性； 由性能指标及所选结构确定开环增益 KN 和比例放大系数 Kn ； Kn = Rn/R0 tn = RnCn ；转速调节器的实现*转速调节器的设计1.确定时间常数a)电流

19、环等效时间常数1/KI ，已取KI Ti=0.5，则1/KI= 2Ti =2*0.00282=0.00564sb)转速滤波时间常数Ton=1/4*R0*Con=0.00052s.c)转速环小时间常数Tn：按小时间常数近似处理，取 Tn=1/KI+Ton=0.00616s2.选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器。3.计算转速调节器参数 按照跟随性和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： tn=h Tn=5*0.00616=0.0308s 可求得转速开环增益 KN= =3162.4 于是，可得ASR的比例系数为Kn= =18.64.检验近似条件 转速环截止频率为Wc

20、n=KNtn=97.40a) 电流环传递函数简化条件为=83.58Wcn，满足近似条件。4. 计算调节器电阻和电容已知R0=20k,则Rn=KnR0=372k Cn=0.83uF 5.校核转速超调量。 当h=5时，由表查得，=37.6%。不满足设计要求。事实上，由表得出的是按线性系统计算的，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。，设理想空载启动时z=0，调速系统开环机械特性的额定稳态速降r/min，由表查得Cmax/Cb=81.2%,代入公式=5.25%Idm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n*，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了

21、Un0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。IdIdl，转速由加速变为减速，直到稳定。数据处理：计算转速超调量：=，满足设计要求。计算电流超调量：=，满足设计要求。3. 断电，记录ACR，ASR的最终整定PI参数值。Rn=88k Cn=0.1uFRi=20.7 k Ci=1.8uF计算实际ACR的PI参数：Ki= 计算实际ASR的PI参数：Kn= 第五部分：系统评估*系统实际性能评估通过理论设计ASR，ACR的PI参数，对双闭环直流调速系统进行仿真调试，在不同负载情况下分别观察仿真波形，转速最终都稳定在1450rpm，电流最终稳定在负载电流，可见ASR,ACR使用PI调节器能实现无静差调节

22、，且双闭环调节系统能对负载变化起抗干扰作用。由图可看出，电流超调和转速超调都比较小，计算后符合设计要求5%和10%。在仿真数据基础上对实际双闭环调速系统调试，先进行静态特性测试，由静特性曲线知，该系统的静差率很小，转速相对稳定度高。整定ACR，ACR的PI参数，在示波器上观察电枢电流Id和转速n的波形，经计算，符合设计要求5%和10%，且系统的快速性较好。综上所述，该双闭环直流调速系统的ASR和ACR采用PI调节器时系统获得良好的静态和动态性能。*系统误差分析 1.设计原理：按工程设计方法设计双闭环系统的调节器，在理论设计时将电流调节器和转速调节器均近似看做一个惯性环节，存在一些近似处理，所以

23、与实际相比存在误差。 2.实验条件：1）实验室采用的模拟电动机性能不如实际电动机好，在测量转速，电流等数据时存在一些误差。2）实验室装置和采用的仪表精度问题使实验存在不可避免的系统误差。3）在仪表上读电流和转速时，由于系统不稳定，使数据上下波动，尤其是电流表指针存在抖动现象，使读取数据存在误差。3.数据处理：1）系统建模参数测定实验中，计算整流电源放大系数Ks时，取线性段4段斜率，再计算平均值，由于电源输入输出曲线并非线性，由此求出的Ks存在误差。 2）计算电枢回路机电时间常数Tm=时，s通过数格子的方法求得，格子数存在近似处理，并不是很精准，求得的系统参数存在误差。3）计算超调量和时，由于波

24、形曲线较粗且存在毛刺，读数据时是估度， 使实验结果存在误差。4.人为因素：读数时应两眼平视指针，且正对着指针，而我们在读数时常常忽略这点，从上往下看指针读数，斜看仪表读数，都会使读数存在误差。*实验问题及其分析问题1 不管怎样调节Uct，转速n不改变大小，甚至当Uct=0时，n 0？ 分析：速度环接成了正反馈。双闭环直流调速系统中，转速环一定要为负反馈。问题2 转速环整定时不管怎样调节速度反馈系数和负载强度，都不能满足n= ，？分析：转速环参数调节不恰当，调节Rn大小，再配合调节调节速度反馈系数和负载强度即可。第六部分：总结结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段