运动控制课程设计直流双环系统(一)的设计及仿真分析(三)

1、学 号： 课 程 设 计题 目直流双环系统（一）的设计及仿真分析（三）学 院自动化学院专 业自动化专业班 级姓 名指导教师刘芙蓉2014年1月6日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双环系统（一）的设计及仿真分析（三） 初始条件：已知电动机参数：电动势系数电枢回路总电阻触发整流环节的放大倍数电磁时间常数机电时间常数电流与转速反馈滤波时间常数；额定转速时的给定电压调节器，饱和输出电压。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）试设计该转速、电流双闭环V-M调速系统（由三相半波相控变流装置供电），要

2、求系统的调速范围D=10，稳态转速无差，电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量。画出系统结构框图并计算：(1) 电流反馈系数（启动电流限制在以内）和转速反馈系数；(2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取）；(3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取）；(4) 让电机带载（带一半额定负载）启动到额定转速，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。时间安排：2013.12.25布置课程设计题目 2013.12.26 - 2013.12.29 完成课程设计 2013.1230 2014.1.3 撰写课程设计报告 2014.1.6 答辩并上交报告指导教师签名： 年 月 日系主

3、任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要11.直流双环系统设计21.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成21.2双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性31.3双闭环直流调速系统的动态数学模型51.4电流调节器和转速调节器的设计52转速、电流双闭环直流调速系统的参数计算102.1系统参数选取及设计102.2电流环的设计102.3速度环的设计113.转速、电流双闭环直流调速系统的仿真143.1 电流环的仿真143.2 转速环的系统仿真154.心得体会20参考文献21本科生课程设计成绩评定表22摘要双闭环（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

4、、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。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

5、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。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）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。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，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

6、，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。直流双环系统的设计及仿真分析1.直流双环系统设计1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成对于经常正、反转运行的调速系统，如龙门刨床、可逆轧钢机等，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡

7、过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当达到稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。这类理想的起动（制动）过程，起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。问题是，应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转

8、速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个调节器显然是不可能的，采用转速和电流两个调节器应该能行，问题是在系统中如何连接。为了使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，二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图1-1所示。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，电流环在里面，称做内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系

9、统（以下简称双闭环系统）。为了获得良好的静态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。图1-1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图1.2双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性双闭环直流调速系统的稳态结构如图1-2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图1-2中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。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之间的

10、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U在稳态时为零。图1-2 双闭环直流调速系统的稳态结构图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情况。(1)转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此式中,分别为转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得从而得到图1-3所示静特性的AB段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知：。这就是说，AB段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电

11、流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。(2)转速调节器饱和ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和系统要求的最大加速度。上式描述的静特性是图1-3中的BC段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。nn0ABCO图1-3 双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应转速调节器为饱

12、和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。图1-3也反映了ASR调节器退饱和的条件。当ASR处于饱和状态时，Id=Idm,若负载电流减小，IdL<Idm，使转速上升，n>n0，n<0，ASR反向积分，从而使ASR调节器退出饱和，又回到线性调节状态，使系统回到静特性的AB段。1.3双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构如图1-4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图1-4 双闭环直流调速系统的动态结

13、构图1.4电流调节器和转速调节器的设计1.电流调节器的设计将电流环近似化简为一个惯性环节，如图1-5所示。 ACR图1-5 电流环的动态结构图小惯性环节近似处理在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。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1-5可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，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，即应选用典型型系统。如图1-5所示，电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象，如果采

14、用PI型的电流调节器，其传递函数可以写式中 Ki电流调节器的比例系数； i电流调节器的超前时间常数。电流环开环传递函数为因为TlTi，所以选择i=Tl，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正成典型型系统，因此式中，电流环的动态结构图如图1-6所示。图1-6 校正成典型型系统的电流环的动态结构图按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为采用高阶系统的讲解近似处理方法，忽略高次项，Wcli（s）可讲解近似为降阶近似条件为式中 cn转速环开环频率特性的截止频率。可以看出，电流环的输入量应为，因此，电流环在转速环中应等效为电流的闭环控制改造了控制对象，把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效

15、成只有较小时间常数的一阶惯性环节，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。2.转速调节器的设计用电流环的等效环节代替原有电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图1-7所示。图1-7 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中则转换结构图可简化为图1-8。图1-8 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环的动态结构图为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须要有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR

16、中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应总共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大的问题，那是按照线性系统理论计算得数据，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。由此可见，ASR也应采用PI调节器，其传递函数为式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为则不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构图如图1-9所示。图1-9 校正后成为典型型系统的转速环的动态结构图转速调节器的参数包括和。按照典型型系统的参数关系，有因此

17、，至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求觉得，无特殊要求时，一般以选择h=5为好。含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图1-10所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。图1-10 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻、电容值的关系为2转速、电流双闭环直流调速系统的参数计算2.1系统参数选取及设计整流装置的滞后时间常数TS。三相半波电路的平均失控电压TS=0.0033S。电流反馈系数。转速反馈系数。2.2电流环的设计（1）确定时间常数电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。（2）根据设计要求5%，并

18、保证稳态无误差，因此选择型电流调节器，其传递函数为检查对电源电压的抗扰性能： ，参照典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表，可知道该典型I型系统动态性能各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求5%时，由典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表可知，应取,因此于是的比例系数为（4）检验近似条件电流环节截止频率为：1) 晶闸管传递函数的近似条件满足近似条件2） 忽略反电动势对电流环动态影响的条件满足近似条件2) 电流环小时间常数处理 满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容因为，所以各电阻和电容值为：参照上述参数，电流环可以达到的

19、动态跟随性能指标为=4.3%5%，满足设计要求所以电流环的传递函数为2.3速度环的设计（1）确定时间常数电流环等小时间常数。=2 =2×0.0055s=0.011S转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取=+ =0.011+0.014=0.025s（2）转速调节器结构按照设计要求，选用调节器，其传递函数为（3）计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取，则的超前时间常数为转速开环增益于是的比例系数为(4)检验近似条件转速截止频率为1) 电流环传递函数简化条件 满足近似条件2） 转速环小时间常数近似条件为满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容由于，所以各个电阻和电容值为：

20、（6）校核转速超调量当时，由典型型系统阶跃输入跟随性能指标表查得，=52.6%，不能满足设计要求。实际上，由于典型型系统阶跃输入跟随性能指标表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，饱和，不符合线性系统的前提，应该按退饱和的情况重新计算超调量。由典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表查得当时，所以 能满足设计要求所以，根据上述参数，速度环传递函数为3.转速、电流双闭环直流调速系统的仿真3.1 电流环的仿真电流环的仿真模型如图3-1所示。图3-1 电流环的仿真模型在时，输入最大电流给定，用示波器观察电流响应，如图3-2所示。图3-2 电流环的仿真结果由图3-2， 下电枢电流低于，这是因为电流调节

21、系统受到电动机反电动势的扰动，此时的扰动反电势为斜坡扰动，而电流环为典型I型系统，对斜坡扰动无法实现无静差，而是略低于。但从电流响应的速度我们可以看出，电流环的动态性能很好。3.2 转速环的系统仿真转速环的仿真模型如图3-3所示。图3-3 转速环的仿真模型仿真结果如图3-4至图3-6所示。图3-4 转速、电流的响应图3-5 转速调节器ASR的输出电压的仿真波形图3-6 电流调节器ACR的输出电压的仿真波形设置双闭环控制的一个重要目的是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过

22、程示于下图。图3-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形将图3-7与图3-4进行比较发现，ACR在未达到给定值就已经饱和，而在起动过程中电流调节器ACR是不应饱和的。因此，要解决这一问题，可以将ACR的限幅值适当提高。在此，将ACR的限幅值提高到8V。接下来，再进行仿真。仿真结果如图3-8至图3-10所示。图3-8 修改ACR的限幅值后转速、电流的响应图3-9 修改ACR的限幅值后ASR的输出电压的仿真波形图3-10 修改ACR限幅值后ACR的输出电压的仿真波形修改ACR的限幅值后，发现转速、电流的响应波形与图3-7中的相一致。4.心得体会经过一个星期的努力，终于完成了本次运动控制系统的课程设计。通过这次课程设计，我从中学到了不少有用的东西，也让我懂得了理论与实际结合的重要性，如果没有实践，一切理论都显得无关紧要，只有将理论与实际结合起来，我们才能真正弄清楚其中的规律，以及提高自己的动手能力，为今后的工作与学习打下坚实的基础。本次课程设计中应用了调节器的设计，尤其是型系统和型系统的设计，通过分析系统开环传递函数的动态特性参数，确定调节器的传递函数，并最终用运算放大电路实现所设计的调节器。在设计过程中系统的