wangd运动控制解读

1、西北民族大学双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、 平稳性好、 稳速精度高等优点。 在理论和实践方面都是比较成熟的系统， 在电力 拖动领域中发挥着及其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础， 本人就直流电机调速 进行了比较系统的研究， 从直流电机的基本特性到单闭环调速系统， 再进行双闭 环直流电机设计方案的研究，用实际系统进行工程设计，并用所学的MATLABS行仿真，分析了双闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。在双闭环直流调速系统中， 转速和电流调节器的结构选择与参数设计需从动 态校正的需要来解决， 设计每个调节器是， 都必须先

2、求该闭环的原始系统开环对 数频率特性， 再根据性能指标确定校正后系统的预期特性， 对于经常正反转运动 的系统，尽量缩短启、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机 最大允许电流和转矩受到限制的条件下， 应该充分利用电机的过载能力， 最好是 在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值， 是电力拖动系统以最大的加速度启 动，到达稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而装入 稳态运行。在设计过程中， 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用， 需要设置两个 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

3、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，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就 形成了转速、电流双闭环调速系统。0西北民族大学第一章系统总体设计图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构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力电子变换器UPE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。1.1系统电路结构若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流、转矩受限的条件下， 充分利用电机的

4、允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转 入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最 大电流、转矩受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者 之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速 负反馈不同时加到一个调节器的输入端， 到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不 靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。所以选用 转速电流双闭环系统结构为了获得良好的静、

5、动态性能，转速和电流两个调节器一般都米用 P I调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于图1-2。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用Ri Ci "CHH -ACRUiLM GTrnurxcuTALU PE2西北民族大学#西北民族大学图1-2双闭环直流调速速系统电路原理图1.2两个调节器的作用电流调节器的选择:图1-2表明，电流环的控制对象是双惯性型的，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#西北民族大学#西北民族大学WACR（S）二Ki( iS

6、 1)iS#西北民族大学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Ti则电流环的动态结构图便成为图1-3所示的典型形式，其中KiKiKsiR>A CD陋JR7"工 UJXb-*0J L0 阳击+1)图1-3动态结构图图1-2小惯性环节近似处理3西北民族大学转速调节器的选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在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共有两个积分环节，所以应该设计成典型n型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为W

7、ASR (S)二Kn( nS 1)第二章整体电路分析2.1电流环设计（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数Ts。2）电流滤波时间常数Toi。3）电流环小时间常数之和T。（2）选择电流调节机构根据设计要求& <5%并保证无静差，可按典型I型系统设计电流调节器（3）计算电流调节器参数（4）效验近似条件电流环截止频率：ci K|2.2转速环设计（1）确定时间常数电流环等效时间常数K|2 ）转速环滤波时间常数Ton3 ）转速环小时间常数Kn（2）选择转速调节机构按照设计要求，选用PI调节器（3）计算转速环调节器参数（4）校验近似条件K转速环截止频率® cn = °

8、；=“"1）电流环传递函数简化条件'JK2）转速环小时间常数3工5西北民族大学(5) 计算电阻电容Rn 二 K n RoCn =4TonRnonRo6西北民族大学#西北民族大学(6) 校验转速超调量2.3典型I型系统介绍典型I型系统的结构图如图2-1所示K1ns(Ts + 1)图2-14) #西北民族大学其传递函数为#西北民族大学#西北民族大学其中，时间常数T在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益K,也就是说K是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能 指标选择参数K的大小。典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以-20 dB/dec的斜率穿

9、越OdB线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定 的，且有足够的稳定裕量。典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表 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如表2-2石Tm =-1y110120130AC心 xlOO?255,533,2618,5>12.92.83.43.84.014.721.728.730.4表2-1典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系参数关系KT0,250390.50.691.0阻尼比§1+00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%163%上升时间見cQ6.6T4.773.3T2.4T峰值时间t

10、?CO8.3 T6.274.7T3.2T相角稳定裕度尸763°69.9°65.5*59.2 °51.8 *截止频率化0.243/T0367/70.455/T0.596/T0.786/T表2-2典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系典型u型系统的结构图如图2.4典型H型系统介绍2-2所示。g十1)3rs2(Ts + 1)r图2-3典型n型系统的结构图其传递函数为在典型II型系统的开环传递函数式中。与典型I型系统相仿，时间常数T也是控制对象固有的。所不同的是，待定的参数有两个:K和.，这就增加了选择参数工作的复杂性。为了分析方便起见，引入一个新的变量，令/,=

11、F典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表2-3h345678910 /(1 maxb72.2%77.5%81.2?84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tJT2.452.702,853.003.153.253.303.40tJT13.6010.458.8012,9516.8519,8022.8025.85表2-3典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系2.5转速调节器的实现模拟式转速调节器电路如图2-4图2-4含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.6电流调节器的实现模拟式电流调节器电路下图图2-5含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器2.7校核转速超调量当系统突加阶

12、跃给定时，ASR不饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况计算超调量。8西北民族大学9西北民族大学电流环不带扰动MATLA仿真电流环带扰动#西北民族大学转速环 无扰动扰动下频域特性图num=76.786;de n=0.00667 1 0; sys=tf( nu m,de n);bode(sys)margi n(sys)10西北民族大学11西北民族大学Bode DiagramGm = Inf dB (at In f rad/sec) , Pm = 65.1 deg (at 69.6 rad/sec)50-100-90厂L1,B LILLL|斗IILLr*irrr .r r r r

13、 I1,rr b* .rr r I"rrr r ir r v LFpr r k ir r v11 - Tf-= f =-_ _L E. - -r - -r -r L X -180012310 10 10 10Freque ncy (rad/sec)num=354.442*0.092 354.442;de n=0.0184 1 0 0;sys=tf(nu m,de n);bode(sys)margi n(sys)Bode DiagramGm = -Inf dB (at 0 rad/sec) , P m = 41.1 deg (at 30.3 rad/sec)150410ADOV ean

14、Mhnaa M-180100500-50-100-120lLLL LELLILLL L E L L IL.- E. -rr-rr-Frrr r r r r .-101210101010310Freque ncy (rad/sec)12西北民族大学总结对于给定直流拖动控制系统在经典控制理论工程计算的基础上，在完成参数测定后，应用双闭环直流调速系统工程设计方法设计了主电路、电流环和转速环， 并应用MATLA语言中的SIMULINK工具箱对系统进行了仿真，看到了理论设计与 仿真结果的差异，通过对仿真结果的分析，进一步了解了工程设计方法中的近似 环节给系统带来的影响，认识到了理论设计和工程计算的不同。仿真部分，运用了 MATLAB®言，掌握了语言的基本操作，并着重学习了 SIMULINKX具箱。运用SIMULINKX具箱