电力拖动自动控制系统课程设计题目

一、 设计题目：双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。二、 已知条件及控制对象的基本参数：已知电动机参数为：P=3kW，U=220V，I=17.5A，n=1500r/min，电枢绕组电阻Ra=1.25Q，GD2=3.53Nm2。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻R".3Q。平波电抗器电阻R=0.3Q。整流回路总电感L=200mH。L这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出U==-8V，ACR限幅输出U#m=8V，最大给定U；m=10V，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电流1=2.11，临界截止电流1=21 。dbl nom dcrnom设计指标：电流超调量0%<5%，空载起动到额定转速时的转速超调量0<10%，i n空载起动到额定转速的过渡过程时间L<0.5。三、 设计要求用工程设计方法和［西门子调节器最佳整定法］*进行设计，决定ASR和ACR结构并选择参数。对上述两种设计方法进行分析比较。设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图利用matlab/simulink进行结果仿真。*为可选作内容四、 设计方法及步骤：I用工程设计方法设计系统设计的一般原则：直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)，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。按照设计多环控制系统的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调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图1图1双闭环直流调速系统的稳态结构图a一转速反馈系数；P一电流反馈系数（2）主电路的主要参数的计算1)U1)U2:U2U

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2.34cos0。x0.9x(1~1.2)=114.9V其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.10（2）电流环设计2)电动势系数：C="厂'nR=220TN5x1.25=0.132V•min/r e nN 1500-30-一一，，3）转矩系数：C=一C=1.26kgDm/A3）4）4）由题意得，平波电抗器电阻Rl=0.3Q3.53 0.3x兀 • 3750.1322x303.53 0.3x兀 • 3750.1322x30=0.169s5）机电时间常数：Tm=35•ccem（3）电流环调节器的参数计算1）确定时间常数整流装置滞后时间常数T。通过查表得，三相桥式电路的平均失控时间T=0.0017s。S电流滤波时间常数J。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1〜2）T=3.33ms，因此取J=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和T^i。按小时间常数近似处理，取J=T+T=0.0037s。选择电流调节器结构取电流时间常数T=0.03si根据设计要求0i%<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的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为w(s)=Kie?+1)ACR tsT检查对电源电压的抗扰性能：7；十=f-=8.1，通过查表典型I型系统动态干T 0.0037sEi扰性能，各项指标都是可以接受的。选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数：t.=t=o.03，电流环开环增益：要求。i%<5%时，按典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表格，取KT=0.50，即KT^=0.5s，因此K=0.5/[.=0.5/0.0037=135.1s-1于是，ACR的比例系数为K=第§iKP其中K为晶闸管的内置放大系数，设其为30P为电流反馈系数P=im= _ =0.2721I2.1x17.5R为电枢回路的总电阻，设其为2.85Q计算得K=KTR=135」x0.03x2.85=1.41'算得iKp 30x0.2721根据上述参数可以达到的动态指标为校验近似条件电流环截止频率：3.=K^=135.1sta.晶闸管整流装置传递函数的近似条件a.=196.1s-1>33T3x0.0017s cib.忽略反电动势变化对电流动态影响的条件

=133.23<«c.电流环小时间常数近似处理条件0.03x0.0169 cc.电流环小时间常数近似处理条件1：上=1X： 1 =180.775s-1>O3.TT3\0.0017x0.002 c满足近似条件查表可得，设计后的电流环可以达到动态指标查表可知8=4.3%<5%，满足设计要求。4） 计算调节电阻和电容取R1=R2=R3=R4=40kQ，各电阻和电容值为R=KR=1.41*40=56.4kQC=L=5040uFiRiC=40.2uFoR0按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为8=4.3%<5%，满足设计要求。综上所述电流环（ACR）调节器的传递函数为：W（S}=K（Ts+1）=1.41（0.03s+1）acrs=W：s 003S（4）转速调节器设计与参数选择转速调节器电路设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如下图所示：

BldGNDBldGND其中Ui为电流给定电压，叫为电流负反馈电压，+15V为电力电子变换器的控制电压。GND确定时间常数a.电流环等效时间常数:=2七=2x0.003心70.s0074转速滤波时间常数，根据所用的测速发电机波纹情况，取T^=0.01s转速环小时间常数，T=；+T=0.0074+0.01=0.0174sI选择转速调节器结构按照设计要求无静差，故选用PI调节器考虑动态性能要求，按典型系统II设计系统按典型II型系统设计。其传递函数为以RW(C=K(1s+1)B= K以R(ts+1)〃S—"tnsCTs(Ts+1)—t0Cts2(Ts+1)n em £n nem £n选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取中频宽H=6,则b.转速开环增益:h+12h2T26+12x36x0.01742=321.12s-2b.转速开环增益:h+12h2T26+12x36x0.01742=321.12s-2转速反馈系数：a=^Lm=1°=0.0067Vmin/rn1500ASR的比例放大系数为：K_(h+1)pCT_7x0.2721X0.132x0.0169_的⑵n—2harTm_2x6x0.0067x0.3x0.0174—.En校验近似条件K转速环截止频率①=—n_Kt=321.12x0.1044_33.5249st1转速环小时间常数近似处理条件为1：'―1—_1：' 1 _38.6s-1〉3_32.52s-13心顼3丫2x0.0037x0.01 cn电流环传递函数简化为：—_54.05s-1>3_32.52s-15T cnEi计算调节器电阻和电容取R0=40QR_KR0_10.124x40_404.960_257uF_257uF—n_ R404.96C_也_M01_1uFonR 40x1030综上所述，ASR转速调节器的传递函数为:_K(ts+1^10.124(0.1044s+1)acrs_ntns 0.1044sKaR(ts+1) _10.124x0.0067x0.3x(01044s+1)ns=tPCts如s+1)=0.1044x0.2721x0.132s2(0.0174s+1)nemEn0.0021s+0.02 _ 0.21s+20.000065s3+0.0037s2-0.0065s3+0.37s2五、MATLAB仿真Simulink仿真，所设计系统的结构图为:

结果为:伊LTIViever:LinearizationQuickPlotFileEditWindowHelp60HI40-1201IDTZI一足-dll迓socc4020StepResponseFrom:In1To:Out160HI40-1201IDTZI一足-dll迓socc4020StepResponseFrom:In1To:Out10.20.3Time(sec)0.40.6LTIviewer计算得：＜5.%=2.7%5%,符合条件。六、设计心得：通过本次课程设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制.系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的流程，进行分析，确定每个模块即电流环调节，和速调节的设计方法，最后设计总体方案。通过查资料选取适当的硬件，运放选择OP07,画出对应的电路图，各部分的功能模块通过计算，得到其传递函数。通过传递函数我们在simulink中进行仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。由于simulink不是很熟悉，在仿真过程中我遇到了很多的难题，通过请教对matlab比较熟悉的同学，我克服了很多困难圆满完成这次设计。但是，通过设计我也明白了一点，我们上课所学到的知识在做本设计时是远远的不够的，只是设计的一点皮毛而已。平常我们应该扩大自己得知识面。经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，这次课程设计是我的一笔很大的财富。在今后的学习中，我会更加全面的思考问题，能够有效的