双闭环调速系统ASR和ACR

1、课程设计说明书学院：机电工程学院专业： 电气工程及其自动化课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：双闭环调速系统asr和acr结构及参数设计姓名：学号：指导教师：成绩:双闭环调速系统asr和acr结构及参数设计（5）一.设计目的：掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流 调节器，加深对双闭环直流调速系统理解。二.设计内容：有一个转速、电流双闭环直流调速系统，采用三相桥式全控整流 装置供电，已知电动机数据如下：550kw, 750v, 780a, 375r/min, ce=1.92v-min /r,允许电流过载倍数1. 5,主回路总电阻r= 0. 1。， ks =75, tl=0.

2、 03s, tm=0. 084s,电流反馈滤波时间常数 toi=0. 002s,转 速反馈滤波时间常数t。后0. 02s, asr最大最大给定值和输出限幅值为 12v, acr最大输出限幅值为12v。设计要求：稳态无静差，动态指标：电流超调量oi 5%,电 机空载起动到额定转速时的转速超调量on w 10%, asr按典型型 系统设计，并取kt=0. 5。三.时间安排：6.3 6.4查阅相关资料；6.4 6.6按要求设计相关内容，完成设计文本6. 7 考核答辩四.参考书目：1.电力拖动自动控制系统（第3版）陈伯时主编 机械工业出版社 2.电力电子技术（第4版） 王兆安黄俊主编 机械工业出版社

3、3.自动控制理论刘丁主编机械工业出版社4.电机及拖动基础（第3版）顾绳谷主编 机械工业出版社目录绪论错误!未定义书签。1 .调节器的工程设计方法的基本思路22 .电流调节器的设计32.1 电流环结构框图的化简32.2 电流调节器结构的选择42.3 电流调节器的参数计算52.4 校验62.5 计算调节器电阻和电容73 .转速调节器的设计83.1 电流环的等效闭环传递函数83.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择93.3 转速调节器的参数的计算113.4 校验113.5 计算调节器电阻和电容123.6 校核转速超调量124 .转速碉节器退饱和时转速超调量的计算13绪论在单闭环直流调速系统中，

4、电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但 它只能在超过临界电流值idci-以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击， 并不能很理想地控制电流的动态波形。而采用转速负反馈和pi调节器的单闭环 直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统 的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭 环系统就难以满足需要。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， 分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套 （或称串级）联接如下图所示。图中，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

5、力电子变换器upeo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。这就形成了转速、电流双闭 环调速系统。+图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构图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电力电子变换器一调节器的工程设计方法的基本思路应用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设 计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭 环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速系统中的一 个环节，再设计转速调节器。双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图1-2,它与前述的图1-1不同之处 在于增加了

6、滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。图1-2双闭环调速系统的动态结构图t01 -电流反馈滤波时间常数ton -转速反馈滤波时间常数10二电流调节器的设计2.1 电流环结构图的简化1）忽略反电动势的动态影响在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即eg oo这时，电流环如下图所示。图2-la电流环的动态结构图及其化简2）等效成单位负反馈系统如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成 u*i（s）/p，则电流环便等效成单位负反馈系统（图2-lb）。图 2-lb3)小惯性环节近似处理最后，由于ts和t01 一般都比t1小得多，可以

7、当作小惯性群而近似地看作是一个 惯性环节，其时间常数为简化的近似条件为tgi = ts + toi(2-1)u*i(s)acruc (s)电流环结构图最终简化成图2-lcoks/r(tls+ivt is+1)图 2-lc2.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-23c可 以看出，采用i型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在 突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电 网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主， 应选用典型i型系统。1)电流调节器选择图2-lc表明，电流环的控制

8、对象是双惯性型的，要校正成典型i型系统， 显然应采用pi型的电流调节器，其传递函数可以写成mcr(s)= (2-2)为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择丁1=q(2-3)则电流环的动态结构图便成为图2-24a所示的典型形式，其中(2-4)式中 ki电流调节器的比例系数； t1电流调节器的超前时间常数。 校正后电流环的结构和特性a)动态结构图:u；g)尸+胃图2-2校正成典型1型系统电流环动态结构框图图2-3校正成典型1型系统电流环开环对数幅频特性2.3电流调节器的参数计算表2-1典型i型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系ktoj25039oj50-691,0b且尼比

9、41.00.80.7070.60.5超调量bo%1.5%4.3 %9.5%16.3 %上升时间4006.6t4.7733r2.4t峰值时间/poos3t6274.7t32t和用检定裕度r76.369.965.559.251.8截止频率%o243/t。367/70455/70.596/to.786/r由式2-2可以看出，电流调节器的参数是k,和弓，其中勺己选定，待定的只 有比例系数k,可根据所需的动态性能指标选取。设计要求电流超调量% %3）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，已知7；r=0.084s满足近似条件。满足近似条件。3 =3xl=59.7607工4v 0.084x0.034）电流

10、环小时间常数近似处理条件2.5计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的模拟式pi型电流调节器原理图如图2-4,图中u：为电流给定电压，-皿为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压根据运算放大器的电路原理，且己知h = 40aq,可以容易地导出:r(= 用=(4=0.54x40 = 21 .6ao ,取20aqr。ri _tt _ 0,03 20x103= l5x1()y尸= l5尸，取l5/市0.00240 x nv= 2x10-7尸=0.2尸，取0.2f1ttoi=-r.coi =c,=4 = 4x 4图2-4含给定滤波与反馈滤波的pi型电流调节器按照上述参数：a= 20k

11、o, 6=15 , coi = 0.2/f ,电流环可以达到的动态跟随性能指标为6 = 4.3% r = kr0 = 11.04x40 = 441.6k。，取凡=440kornr = rc a c= 137 , =3.114x10-7f = 0.3114/f cn = r, 440 xlo3m= = 2xl0-6/= 2，取禽=24/q qu x jlu图3-5含给定滤波与反馈滤波的pi型转速调节器3.6校核转速超调量表3-1典型h系统阶跃输入跟随性能指标（按mfm准则确定参数关系）h345678910(j52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/t

12、2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.45113012.2513.2514.20k32211111当人=5时，由表3-1, b = 37.6%,不能满足设计要求。实际上，由于表3-1 是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，4sr饱和，不符合线性系统的前提, 应该按asa退饱和的情况重新计算超调量。i.转速调节器退饱和时转速超调量的计算计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法来处理。当asr饱和时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电压u；，如果忽略电流环短暂的跟随过程，其输出量也基本上是恒定值/向，因而电动机基本上按恒加速度起动，其dn

13、it加速度为(4-1)这个加速过程一直延续到右时刻 =时为止。取式（4-1）的积分，得(4-2)考虑到kn =s+i)如工2har0和u： = af,。：0=%.，则(4-3)x也）k，u；.asr退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，系统的结构框图见图3-1。描述系统的微分方程和前面分析线性系统的跟随性能时相同，只是初始条件不同 了。分析线性系统跟随性时，初始条件为“(0) = 0, /式0) = 0讨论退饱和超调时，饱和阶段的终了状态就是退饱和阶段的初始状态，只是把时间坐标零点从f = 0移到时刻即可。因此，退饱和的初始条件是(o)= , (o)= /加由于初始条件发生了变化，尽管两种情况

14、的动态结构框图和微分方程完全一 样，过渡过程还是不同的。因此，退饱和超调量并不等于典型ii系统跟随性能指 标中的超调量。当asr选用pi调节器时，图3-1所示的调速系统结构框图可以绘成图4-1。由 于感兴趣的是在稳态转速*以上的超调部分，即只考虑 = -/,可以把初始条件转化为(0) = *，id (0) = /jw, o由于图4-2的给定信号为零，可以不画，而把瓯的反馈作用反馈到主通道第 一个环节的输出量上，得到图4-3。为了保持图4-3和图4-2各量间的加减关系 不变，图4-3中的/“和&的十、-号相应的变化。u：+图4-1调速系统的等效动态结构框图以转速为输出量a 图4-2调速系统的等效

15、动态结构框图以转速超调值瓯为输出量+ -/%*(&5 + 1)- t/(s)r ($) j 1($)rs(.s + l)产cetms 图4-3调速系统的等效动态结构框图图4-2的等效变化可以把退饱和超调看作是在i(l = idm的负载下以 =/稳定运行，在七小时刻负载由“减小到转速产生一个动态速升与恢复的过程。可利用表4-1给出 的典型ii系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量，只要注意加的基准值即可。表4-1典型ii系统动态抗扰性能指标与参数的关系h34567891072.2%77. 5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%t/t2.452.702.853.003.153

16、.253.303.40t、t13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型ii系统抗;可知 k, 二 r , cj.n所以&7的基准应是优性能指标中，八。的基准值的为ch = 7.fkj(4-4)t = ku，f = 1痴-1孔a = 2rtudm tq(4-5)令义表示电机允许的过载倍数，即/血z表示负载系数，/“ = u如，为调速系统开环机械的额定稳态速降，“ 二 等，代入（4-5）,可得(4-6)作为转速的超调量其基准值应该是*,因此退饱和超调量可以由表4-1 列出的数据经基准值换算后求得，即5,=（等）4=2（等）（h z）斗景（4-7）g g tm设理想空载起动时z = 0,已知电机允许的过载倍数4 = 1.5 , r = 0.1 q ,idn = 780 a, nn = 375 r!nin , c. = 1.92 v - niii/ /*, tm = 0.084 s , tln = 0.0274 s。当6 = 5,由表4-1查得6_/6=81.2%,将数据代入式（4-7）,可得780x0,1er =2x81.2%xl.5x 1 92 x 0 0274 = 8.6%10%“3750.084能满足超调量的要求。六.总结通过这次的课程设计理解了典型i, n系统的两个动态性能指标（即跟随 性