电力拖动双闭环课程设计报告书综述

1、XXX 学院自动化学院 课程设计报告书组员专业与班级课程名称电力拖动自动控制系统 课程代码设计题目电力拖动运动控制系统应用设计时间2015 年 01月 12 日至 2015 年 01 月 18 日课程设计目的课程设计以广泛应用的电力拖动自动化系统为典型， 学习自动控制系统的原理、 结构、元部件和系统静、动态特性的分析与设计，培养学生综合运用前面所学课程 的知识，实际解决自动控制系统设计的能力。通过电力拖动自动控制系统的设计过程，掌握调速系统分析方法，学习系统设 计、调试和观测方法。在调速系统的设计中，学生了解一般工程设计的要求和程序，培养应用已学知 识解决设计中遇到的问题的能力，使用设计手册、

2、查阅资料的能力。提高学生在控 制理论应用方面的实际能力和实践技能，培养学生综合运用理论知识解决实际问题 的能力。巩固和加深对控制理论基本知识的理解，培养学生的创新能力，经过搜集 资料，初步方案设计，系统组建，撰写设计报告的过程，使学生得到科学研究工作 的初步训练。使之在宏观知识结构上更清晰，具体技术和特征上更过硬。为后续课 程的学习、毕业设计乃至毕业后的工作打下一个良好的基础。设计任务、内容与要求1设计题目（ 1）采用 matlab 仿真软件构建直流双闭环调速系统及实现。2设计内容（ 1） 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和调速系统的 组成，画出系统组成的原理框图（2）调速系

3、统主电路元部件的确定及其参数计算（3）动态设计计算： 根据要求， 选择参数对系统进行动态校正， 进行参数计算， 使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求（4）绘制调速系统的电气原理总图和进行仿真（5）整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书3设计要求 （根据题目学生自由组合每组不超过 5 人） （1）初步掌握控制系统的分析和设计的基本方法。包括设计任务，进行设计题 目的方案论证。通过调查研究、设计计算，方案确定，写出总结报告。（2）培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。包括学会自己分 析解决问题的方法，对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查阅工具书、参考文献，寻找答案

4、。（3）通过严格的科学训练和工程设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实 事求是的科学作风，并培养学生在实际工作中应具有的生产观点，经济观点和全局 观点。设计环境或器材、原理与说明一. 双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的 电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制 系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效 的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的 条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突 加负载动态速降小等

5、等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统 中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是 在超过临界电流 I dcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击， 并不能很理想的 控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波 形如图 1-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加 速过程必然拖长。在实际工作中 ,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机 的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电 力拖动系统尽可能用最大的

6、加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来， 使转矩马上与负载相平衡， 从而转入稳态运行。 这样的理想起动过程波形如图 1-（b） 所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）（a） 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 （b） 理想快速起动过程 图 1 调速系统起动过程的电流和转速波形 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快 启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 I dm的恒流过程，按照反馈控制规律， 采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到 近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负

7、反馈，而不能让它和转速负 反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不 再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在 转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。2. 双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分 别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图 2 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晶闸管整流器的触发装置。 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

8、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。图 2 转速、电流双闭环直流调速系统图中 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双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构

9、图如图 3 所示，分析双闭环调速系统静 特性的关键是掌握 PI 调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限 幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变 化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时， PI 作用使输入偏差 电压 U 在稳太时总是为零。IdU*n+ASR U*iUnUi- i ACR Uct UPE Ud0 +-I dRKs1/Ce图 3 直流双闭环调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性 来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。4 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

10、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 4所示。图中 W ASR(s)和W ACR(s) 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 I d 显露出来图 4 直流双闭环调速系统的动态结构框图5. 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*使转速 n 跟随给定电压 Um 变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差； 对负载变化起抗扰作用； 其输出限幅值决定允许的最大电流。2)电流调节器的作用在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 U i 变化； 对电网电压波动起及

11、时抗扰作用； 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； 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。二.参数计算电流环1) 确定时间常数根据已知数据得2GD2R3.53 2.85m 375CeCm 375 0.1322 30 s = 0.162sTlL 200 10s 0.07sR 2.85三相桥式晶闸管 整流电 路的平均时 间 Ts 0.0017s ，取电流反馈滤 波时间 常数Toi 0.002s ，可得电流环的小时间常数为T iTs+Toi = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s2) 选

12、择电流调节器结构虽然 Tl = 0.07 = 18.9 10 T i 0.0037，但从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加电流环应以跟随性能为主，传递函数为：因此电流环仍按典型 I 型系统设计。电流调节器选用 PI 调节器，i s 1WACR (S) Ki iis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，对电流超调量有较严格要 求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，3) 选择电流调节器参数积分时间常数i =Tl = 0.07 s为满足 i % 5%要求，取电流环开环增益 KI 为KI = 1 = 1 s1 = 135.14

13、I 2T i (2 0.0037)电流调节器比例系数 Ki 为3.27Ki= KI iR =135.14 0.07 2.85i I K s 0.218 37.84取调节器的输入电阻 Ro =20k ，则电流调节器的各参数为Ri =Ki Ro =3.27 20k=60.54 k，取62 kCi=Ri0.07 106362 10* 3F =1.13F ，取 1 FCoi = 4Toi =4oi Ro2050.002 105103F =0.4F ，取 0.47 F根据上述参数可以达到的动态指标为 i %=4.3% 5%故能满足设计要求。4) 校验近似条件电流环截至频率ciKI =135.14s 1

14、，晶闸管装置传递函数近似条件为1 ci3Ts3Tsci11忽略反电动势影响的近似条件为ci 3 1/(TmTl ) ，3 1/(TmTl )=3 1/(0.162 0.07) s 1=28.2s 1 ci 33故该近似条件满足。小时间常数近似处理条件为ci为此， 需要求出它的闭环传递函数 Wcli3）转速环设计电流环经过简化后可视作为转速环中的一个环节，s），忽略高次项，可由近似条件，降阶近似为Wcli接入转速环内，电流环在转速环内应等效为：WASR(S)Kn1KI s 1这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效为只有较小 时间常数 1/ K I 的一个惯性环节，这

15、就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟 随作用，这是局部闭环（内环）的一个重要功能。转速环1）确定时间常数nnom ，故转速反馈系数为Un = 10 V min/r=0.0067 V min/r nnom 1500电流环的等级时间常数为 2 T i =0.0074s 。取转速反馈滤波时间常数 Ton =0.01s ，转速环的时间 常数为T n 2T i Ton =0.0074s+0.01s=0.0174s2）选择转速调节器结构 设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采 用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似 PI 调节器

16、，按典型 II 型 系统进行设计。这样的系统同时也可满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大 那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，当 近似 PI 调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为3）选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量 n %和过渡过程时间 ts 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的 h 值计算有关参数；否则要改变 h 值重新进行计算， 直到满足设计要求为止。当 h=5 时， ASR退饱和超调量为 n %=(Cmax %) 2(Cbz)nnomTn Tm式中， 为电动机允许过载系数，按题

17、意=2.1 ； z 为负载系数，设为理想空载起动，则 z=0;nnom 为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，nnomInomR ；( Cmax %)是基准值为 Cb时 CeCb的超调量相对值，而 Cb =2(z)nnomC当 h=5 时， ( Cmax %) =81.2%，故起动到额定转速，即 Cbn = nnom 时，退饱和超调量为 n =9.2% 10% 满足设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内 渡过程时间 ts 延长， ts 可表示为ASR饱和而不起调节作用，使过ts=t2 +t0其中 t2为恒流升速时间， t0 是退饱和超调过渡过程时间。CeTmn nom t

18、2 =RInom0.132 0.162 15002.85 2.1 17.5退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5时t0 =8.8 T n =0.153s 。但恢复时间是按误差为5%Cb 计算的。这里Cb =2 K2 TN= 2RT nInomCeTm=170.4r/min，故 5% Cb =8.5r/min 。这就是说，转速进入8.5r/min的恢复时间为0.153s 。但这里的恢复时间应按转速进入 5%nnom 来计算，由于 5%nnom =75 r/min 8.5 r/min ，显然所需时间将远小于 0.153s ，故可忽略不计，于是 ts t2 =0.31s 。可见，能满

19、足设计要求。这样，就可根据h=5选择转速调节器的参数。ASR 的时间常数为=hT n =5 0.0174s=0.087s转速环开环增益为KNh1222h2T 2n2 s 2 =396.4s 250 0.01742ASR 比例系数为Kn(h1) CeTm2h RT n6 0.218 0.132 0.162 =8.410 0.0067 2.85 0.0174如设调节器输入电阻 Ro =20k ，则Rn =Kn Ro =8.420 k =168k，取 160 kC = n = 0.087 Cn=Rn = 160 103108F =0.54F , 取 0.47 F4Ton 4 0.01 10ConRn20 1036F =2F ，取4) 校验近似条件 转速环截止频率为cn=KN=KN1n =396.40.087=34.5电流闭环传递函数简化条件为cn5T i ，现5T i5 0.0037s 1 =54.11 cn故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为cn13 1/(2T iTon ) ，现s 1 =38.751 cn1 1/(2T iTon )= 设计仿真原理图 由电路特性知，积分饱和值为一定，我们对 PID 调节器进行限幅，从而保护电 路以及完成转速电流环调节效果，可以将 PI 效果提升的很好。 1/(2 0.0037 0.01)33系统 simulink 仿