电力拖动自动控制系统课程设计82046

1、运动控制系统设计课程设计报告设计题目：转速、电流双闭环直流调速系统设计与实践班级：04级自动化一班学号:姓名：指导教师：设计时间：2007.11.20 摘要第一章概述第二章设计任务及要求2.1 设计任务：22设计要求：2.3理论设计3.1 方案论证3.2 系统设计电流调节器设计确定时间常数选择电流调节器结构计算电流调节器参数校验近似条件计算调节器电阻和电容速度调节器设计确定时间常数选择转速调节器结构计算转速调节器参数校验近似条件计算调节器电阻和电容校核转速超调量第三章系统建模及仿真实验4.1 MATLAB 仿真软件介绍4.2仿真建模及实验4.2.1 单闭环仿真实验4.2.2 双闭环仿真实验4.

2、2.3 仿真波形分析第四章实际系统设计及实验5.1系统组成及工作原理5.2设备及仪器5.3实验过程5.3.1 实验内容5.3.2 实验步骤第五章总结与体会参考文献摘要 从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点 而得到广泛应 用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统， 该系统一般含晶闸管可 控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保 护电路等.给定信号为010V直流信号，可对主电路输 出电压进行平滑调节。由于其 机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。 动静 态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗 负载和电网扰

3、动，采用双PI调节器，可获得良 好的动静态效果。电流环校正成典型 I 型系统。为 使系 统在阶跃扰动时无稳态误差，并 具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型H型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的 设计方法，用 Simulink 做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合调试， 分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。关键词：直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器第一章 概 述为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个 调节器， 分别引入转速负反馈和电流负反馈。 二者之间实行嵌套联接。 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

4、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， 形成转速、电流双闭环调速系统。采用 PI 调节的单个转速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。 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 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， 采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 应 该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，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。 通过系统建模和 仿真，用 MATLA

5、B/Simulink 工具分析设计直流电动机速度控制系统。第二章设计任务及要求2.1设计任务设计一个双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥 式电路。直流电动机：额定功率29.92KW 额定电压220V,额定电流136A,额定转速 1460r/m， Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数 =1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=40电枢回路总电阻：R=1'J时间常数：机电时间常数Tm=0.18s，电磁时间常数Tl=0.03s电流反馈系数：1=0.05V/A转速反馈系数：:-=0.007v min/r转速反馈滤波时间常数：Ton =0.005s，Toi =0.005s

6、总飞轮力矩：h=52.2设计要求（1）调速范围D=10，静差率兰5%稳态无静差，电流超调量兰5%电流脉动系数S乞10%启动到额定转速时的转速退饱和超调量5 乞 10%（2）系统具有过流、过压、过载和缺相保护。（3）触发脉冲有故障封锁能力。（4）对拖动系统设置给定积分器。第三章理论设计3.1方案论证系统设计理论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 设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环）。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转速调 节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，

7、设计和调试方便，达到本课程设计的要求 双闭环直流调速系统的结构框图：图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图3.2系统设计电流调节器设计确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数Ts。按书H表1-2，三相电路的平均失控时间:T；=0.0017s( 3-1)(2) 电流滤波时间常数Toi。Toi =0.005s( 3-2)(3) 电流环小时间常数之和T、：。按小时间常数近似处理，取为：Ti =Ts+Toi =0.0067s(3-3)选择电流调节器结构根据设计要求6兰5%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性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为:WACR (

8、S)Ki( is 1)-is(3-4)检查对电源电压的抗扰性能:Ti0.030.0067= 4.48(3-5)符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Ti =0.03s。( 3-6)电流环开环增益：要求乞5淞按书1表2-2，应取KiT =0.5，因此:(3-7)(3-8)0.5K i74.630.0067于是，ACR勺比例系统为：KjiPKi - -1.12KsR校验近似条件电流环截至频率：K| = ci =74.63(3-9)晶闸管整流装置传递函数近似的条件为:1 13Ts_3 0.00171=196.1s: ci忽略反电动势

9、对电流环动态影响的近似条件为:1 13 TmTl=3.1 0.01s 0.1s=94.87s，： ci(3-10)(3-11 )电流环小时间常数近似处理条件为:1.仁3 I TsToi=31 0.0017s 0.002s(3-12)计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得 R。= 40 0 。 各电容和电阻值为：(2-13 )(2-14)R1KiL、 i 二 RG、ToiR°C°iR04Ri=40k 11按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%<5%满足课题所给要求。322速度调节器设计322.1确定时间常数(1)电流环等效时间常数1

10、/ Ki。取KiT工=0.5，贝U：=2 0.0067=0.0134(3-15 )转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机波纹情况，取：Ton =0.005s。(3-16)转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取：10G =0.0184(3-17)Ki选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为:WaSR (s)=Kn( . nS+1).nS(3-18)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，现取h=5,则ASR的超前时间常数为：i=hT :n=5 0.0274=0.137s(3-19 )并且求得转速环开环增益为：kn=2h TF62 25 (0.0274)2

11、=159.84s，(3-20)则可得ASM比例系数为：(3-21 )K =(h+1)PCeTm_6汉3汉0.113汉0.1_15 62haRTE2江25沢0.005><9.5汉0.0274校验近似条件转速截止频率为： cn 二 血二心 n =159.84 0.137 = 21.9s*(3-22 ).1电流环传递函数简化条件为:* 能1®7，"(3-23)转速环外环的小时间常数近似处理条件为:_1=27.4s"cn32-24)计算调节器电阻和电容 按所用的运算放大器取R0=40k'J 各电容和电阻值为：(3-25)(3-26)Rn = Kn Ro

12、 =15.6 40K；- 625K，= 0.22lF校核转速超调量当h=5时，由书1可以查得：二n =37.6%,这并不能满足课题所给要求。实 际上，由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按 ASR退饱和的情况重新计算超调量。 如下：Cbmax1.2 9.5(3-27)=2 81.2% 2.1°1130.0274 =4.2% ：10%1600 0.1满足课题所给要求。第四章系统建模及仿真实验4.1MATLAB 仿真软件介绍本设计所采用的仿真软件是 MATLAB 7.1。MATLAB 7.1是一种科学计算软件，专门以矩阵的形

13、式处理数据。MATLA7.1提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法，它还集成了 2D和3D图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交 互式的高级编程语言M语言，利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。Simuli nk是基于MATLAB 7.1的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模。4.2仿真建模及实验单闭环仿真实验仿真设计采用MATLAB7软件进行系统建模。按照课题所给要求，我们先用单闭环直流调速系统进行仿真设计，运用MATLA的simulink进行系统建模，单闭环直流调

14、速系统仿真模型如图 4.1所示:T创鼬FoilDJ0050,如图4.1带比例放大器的闭环直流调速系统仿真模型图4.2单闭环直流调速系统转速仿真波形图4.3单闭环直流调速系统电流仿真波形由图4.2与图4.3可以看到，转速和电流波形都不太好，都带有较大的震荡, 并且带有静差，无法使转速最后维持在 1600r/s。经过反复的调节我们可以都到 一组较好的波形图4.4和调节参数表4-1:表4-1单闭环调速系统参数列表晶闸管放 大系数Ks机电时间 常数Tm电磁时间常数Ti转速反馈系数a允许过载倍数几ASR限幅值300. 1s0.01s0.005vmi n/r1.5±330VT onToiCeRt

15、rKp0.02s0.002s0.113Vmi n/r9.5。0.2s12转速和电流仿真波形:R图4.4经过多次的调节我们可以得到调节相关的参数的调节规律：当调节Kp时，Kp越小产生的静差也将越大，但波形震荡越小， Kp越大的 话产生的静差越小，但波形震荡越大。限幅值越大波形震荡越发大，限幅值越小 波形震荡越发小。由于比例调节器的输出只取决于输入偏差的现状，而积分调节器的输出包含 了输入偏差的全部过程。因此为了实现无静差调速，我们采用 PI调节的单闭环 调节系统，单闭环调速系统动态结构图如图 3.5所示：图4.5单闭环调速系统动态结构图转速单闭环调速系统仿真模型图和波形图分别如图4.6图4.7所

16、示:TfansfetFcnJ0.90.0050.02?H1图4.6转速单闭环调速系统仿真模型图由上两图可以得出：采用 PI调节的单个转速闭环调节系统可以保证系统稳 定的前提下实现转速无静差。但是，如果系统的动态性能要求较高的话，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随心所欲的控制电流和 转矩的动态过程。而在单闭环直流调速系统中，电流截至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Ider以后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击作 用，而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直流调速 系统启动电流突破Ider以后，受电流负反馈作用以后，电流只能再升

17、高一点，经 过一最大值Idm后，就降低下来，电机的电磁转距也随之减小，因此加速过程必 然拖长。而现在我们所希望是能够实现控制： 起动过程，只有电流负反馈，没有转速 负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。双闭环仿真实验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，如图4.8所示HrASR转速训疗器ACR也流调出器TG测速发电机TAlU流S感器 UPE ill力电了变换器图4.8转速、电流双闭环直流调速系统结构图8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

18、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综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图4.9所示：图4.9双闭环直流调速系统的动态结用MATLA的 SUMLINKS块做的双闭环调速系统仿真模型图如图4.10所示:图4.10双闭环调速系统仿真模型图双闭环系统仿真波形及分析：ASR 输 出 限 幅 值 U*im =|也=1.5*3*1.2 =5.4V（4-1）ACR输出限幅值二誉二空3還0严（4-2）调节限度器1将ASR输出限幅值的Upper Limit和Lower Limit进

19、行适当的调节。可得到上升时间最大的波形（tr=7.7s限幅值=_3.8V ）和上升时间最小（tr =0.7s限幅值=_14V）的波形。上升时间最大波形如图4.11所示：图4.11双闭环调速系统上升时间最大波形图上升时间最小波形如图4.12所示:图4.12双闭环调速系统上升时间最小波形图经过双闭环调速系统上升时间最大波形与双闭环调速系统上升时间最小波 形对比可知：限幅值越大上升时间tr越小，限幅值越小上升时间tr越大；同时tr值 越大，超调越小；tr值越小，超调越大。在符合设计要求的情况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调节参数，如表4.2和图4.13所示：表4.2双闭环调速系统调节参数晶闸

20、管放 大系数Ks机电时间 常数Tm电磁时间常数Tl电流反馈 系数转速反馈系数a允许过载 倍数丸300. 1s0.01s3V/A0.005vmi n/r1.5T onToiCeRtrASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmi n/r9.5。2s±6.1VACRASRACR限幅值TnKiKiKnKn±8.7V0.137s0.143135.1s 丄15.6159.84 s"RiCiRnCnTi6KC1.75 注550 KQ0.22 注0.01s图4.13双闭环调速系统波形图由此可得：双闭环调速系统采用 PI调节规律，它不同于P调节器的输出量 总是正比与其输入量，

21、PI调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的积分， 到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来 决定的。仿真波形分析从图4.12的波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第I阶段：电流上升阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使 Ua Ud UdO都上升。由 于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中 ，ASR由不饱和很快达 到饱和，而ACF不饱和,确保电流环的调节作用.第U阶段：是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值 n*为止，这是起动过程中的重 要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现

22、为 在恒值电流给定Uim作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的 加速度恒定，转速呈线性增长。第川阶段：转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输 入偏差为零。转速超调后，ASR俞入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态， 其输出电压的给定电压 Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内， 转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减 速，电流Id也出现一段小于IdO的过程，直到稳定。在这最后的阶段， ASR和 ACR都不饱和，同时起调节作用根据仿真波形， 我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统

23、中的作用归纳为：1）. 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器， 它使转速 n 很快地跟随给定电压 变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2）. 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧 跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作 用。一旦故障消失， 系统立即自

24、动恢复正常。 这个作用对系统的可靠运行来说是 十分重要的。第五章 实际系统设计及实验5.1 系统组成及工作原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制， 由于调速系 统调节的主要参量是转速， 故转速环作为主环放在外面， 而电流环作为副环放在 里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。 实际系统的组成如图 4.1 所示Ui#t>TARn CnURiCiRoLM RoACR+ + ILM GT XUPEL-idUdM+4JRP2 少：图5.1双闭环直流调速系统电路原理图主电路采用三相桥式全控整流电路供电。 系统工作时，首先给电动机加上额 定励磁，改变转速给定电压Un*可方

25、便地调节电动机的转速。速度调节器 ASR 电流调节器ACR均设有限幅电路，ASR的输出Ui*作为ACM给定，利用ASR的输 出限幅Um*起限制启动电流的作用；ACR的输出Uc作为触发器GT的移相控制电 压，利用ACF的输出限幅Ucm起限制电力电子变换器的最大输出电压的作用。当突加给定电压Un*时，ASR立即达到饱和输出Uim*，使电动机以限定的最 大电流Idm加速启动，直到电动机转速达到给定转速并出现超调，使 ASR退出饱 和，最后稳定运行在给定转速上。5.2设备及仪器DJKO1电源控制屏（含“三相电源输出”、“励磁电源”等模块）DJK02三相变流桥路（含“触发电路”、“正桥功放”、“三相全控

26、整流”模块）DJK04电机调速控制（含“给定”、“电流调节器”、“速度变换”等模块）DJK08可调电容DD03-2电机导轨、测速发电机及转速表（或 DD03-3电机导轨、光码盘测速 系统及数显转速表）DJ14直流他励电机铭牌参数：额定功率0.185KW 额定电压220V,额定电流1.2A，额定转速 1600r/m， Ce=0.113Vmin/r，DK04滑线变阻器（串联形式 0.65A/2K Q ;并联形式1.3A/500 Q ）慢扫描示波器万用表5.3实验过程5.3.1实验内容532实验步骤1 .单元部件参数整和调试(1) 触发器整定。(2) 调节器调零。(3) 调节器输出限幅整定。2. 电流环调试(1) 电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定。(2) 系统限流性能的检查和电流反馈系数1的测定。(3) 电流环动态特性的研究。3. 转速环调试(1) 转速反馈极性及转速反馈系数:的测定。(2) 转速环动态特性的研究。4. 系统静特性的测定(1) 调节转速给定电压U n及发电机负载电阻Rg,使ld = |n, n =改变发电机负载电阻Rg,即可测出系统