运动控制新版系统专业课程设计指导书B胶印版

运动控制系统课程设计指导书成全部大学电子信息工程学院自动化系谭健敏编10月

目录前言 2一．课程设计任务 31.1课程设计题目 31.2课程设计内容 31.3课程设计关键技术参数 31.4课程设计时间安排 41.5课程设计关键参考资料 4二．直流调速系统工程设计方法 52.1控制系统设计 52.2闭环调速控制系统工程设计方法 72.3转速环和电流环关系： 10三．直流调速系统串联校正设计实例（参考） 11

前言1、运动控制系统课程设计目标和任务运动控制系统课程设计是运动控制系统（电力拖动自动控制系统）课程教学一个步骤，任务是经过课程设计使学生掌握运动控制系统设计（综合）基础方法（工程设计方法），掌握调速系统工程设计具体步骤和方法。2、课程设计基础内容及要求本课程设计包含运动控制系统工程设计方法、直流调速系统设计和控制参数计算、调试系统和参数分析三部份内容。要求掌握对调速系统进行测试和分析、操作和调试基础方法、步骤和基础操作技能，含有对控制系统调试和故障分析能力。设计说明书应对整个设计过程有清楚说明,包含设计过程说明、主回路设计说明、控制电路设计说明、调试说明，和设计计算公式、计算数据、设计图表等内容。3、适用专业本课程设计适用自动化专业，电气工程及自动化专业。4、考评方法课程设计考评成绩由平时成绩、设计计算和设计汇报（包含设计测试）叁部分组成。5、本课程设计指导书适适用于“运动控制系统”或“电力拖动自动控制系统”等相关课程。6、本课程设计指导书依据学校试验室配置教学试验装置和专业教学要求编写。谭健敏9月

一．课程设计任务1.1课程设计题目采取工程设计方法设计转速电流双闭环直流调压调速系统1.2课程设计内容调速控制系统总体设计；设计主回路；依据指标设计调速系统调整器,并选择各步骤参数；按设计结果组成系统，在试验室用试验系统进行调试；研究参数改变对系统性能影响；1.3课程设计关键技术参数1.3.1闭环控制系统性能要求稳态无静差；调速范围D＝5；静差率s≤5％；起动时电流超调量σi≤5％；在额定转速时转速超调量σn≤10％；动态速降≤10％；振荡次数≤2次；控制参数：R0=40/30/20/10kΩ；U*n=U*i=Uct=10V；电流反馈滤波常数:0.002s；转速反馈滤波常数:0.01s；电流过载倍数λ=1.5；1.3.2晶闸管—电动机系统主电路晶闸管整流电路方案讨论和选择；（单相/三相桥式整流器）晶闸管选择；绘制晶闸管调速成系统主电路原理图和设备明细表。1.3.3她励直流电动机参数额定电压：220V；额定电流：136A；额定转速：1450r/min；电势系数：0.132V·min/r电枢回路总电阻：0.5Ω；电磁时间常数：0.03s；机电时间常数：0.18s1.4课程设计时间安排转速电流双闭环直流调压调速系统设计方法讲授12课时；系统设计和参数计算3天；试验室按设计结果调试系统，研究参数改变对系统性能影响1天。采取不停课方法进行，工程设计方法讲授和系统设计和参数计算时间分散，进入试验室调试时集中进行。1.5课程设计关键参考资料陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京：机械工业出版社,.5段文泽,童明俶.电气传动控制系统及其工程设计.重庆：重庆大学出版社,1989.10高秀珍等编著.电机及控制系统试验.北京：国防工业出版社,.3夏新顺.电力拖动自动控制系统试验指导书.北京：机械工业出版社,1996运动控制系统试验试验指导书.自动化系编，.10电机原理和拖动基础试验指导书.自动化系编，.3

二．直流调速系统工程设计方法2.1控制系统设计控制系统设计是依据系统要求确定系统做什么和怎么做，依据控制系统基础结构和控制器在受控过程中位置结构确定控制器具体结构，根据系统设计目标确定控制器参数。大部分控制器修正了控制系统特征，所以又称之为校正。2.1.1控制系统设计要求——性能指标1）跟随性能指标在给定信号或参考输入信号作用下，系统输出量改变情况可用跟随性能指标来描述。常见阶跃响应跟随性能指标有：tr—上升时间s—超调量ts—调整时间2）抗扰性能指标抗扰性能指标标志着控制系统抵御扰动能力。常见抗扰性能指标有：DCmax—动态降落tv—恢复时间通常来说，调速系统动态指标以抗扰性能为主，而随动系统动态指标则以跟随性能为主。2.1.2控制系统基础结构和控制器结构1)控制系统基础结构调速系统基础结构设计采取固定结构设计（校正）方法，常见带有校正控制器控制系统结构有：串联校正（串级）是使用最广泛一个结构；反馈校正前馈校正状态反馈校正多环控制组合方法：在一个控制系统中，假如有多个被反馈物理量需要结构闭环，而且这些被反馈物理量是由同一个物理量产生，那么延迟时间最短那个被反馈物理量反馈环建在最里面，延迟时间最长那个被反馈物理量反馈环建在最外面。外环是决定系统性能根本因数，而内关键起改造对象特征以有利于外环控制作用，多种扰动给内环带来误差可由外环控制加以填补或抑制。2）控制器结构PID控制器，是校正设计中使用最常见一个结构；通常调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快速性要求能够差部分，所以关键采取PI调整器；在随动系统中，快速性是关键要求，须用PD或PID调整器。由PD调整器组成超前校正，可提升系统稳定裕度，并取得足够快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调整器组成滞后校正，能够确保稳态精度，却是以对快速性限制来换取系统稳定；用PID调整器实现滞后—超前校正则兼有二者优点，能够全方面提升系统控制性能，但具体实现和调试要复杂部分。2.1.3设计基础标准基础方法：在选择一个控制器后，用时域分析法、根轨迹法、频域分析法来分析控制器每个参数对系统性能指标影响，进而确定满足设计要求控制器参数。控制器越复杂、可靠性越差、造价越高、设计和调试越困难。基础法则：在时域中，在S平面上，用根轨迹法；在频域中，采取设计闭环传输函数增益及相位方法。2.1.4控制器参数确定在设计校正装置时，关键研究工具是伯德图（BodeDiagram），即开环对数频率特征渐近线。它绘制方法简便，能够确切地提供稳定性和稳定裕度信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态性能。正因为如此，伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用方法。在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段分割界限是大致，不一样文件上分割方法也不尽相同，这并不影响对系统性能定性分析。从经典伯德图中三个频段特征能够判定系统性能，这些特征包含以下四个方面：中频段以-20dB/dec斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够频带宽度，则系统稳定性好；截止频率（或称剪切频率）越高，则系统快速性越好；低频段斜率陡、增益高，说明系统稳态精度高；高频段衰减越快，即高频特征负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰能力越强。在实际系统中，动态稳定性不仅必需确保，而且还要有一定裕度，以防参数改变和部分未计入原因影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度指标是：相角裕度g和以分贝表示增益裕度GM。通常要求：g=30°－60°；GM>6dB。2.2闭环调速控制系统工程设计方法用经典动态校正方法设计调整器须同时处理稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾静、动态性能要求，需要设计者有扎实理论基础和丰富实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必需建立实用设计方法。通常来说，很多控制系统开环传输函数全部可表示为：上式中，分母中sr项表示该系统在原点处有r重极点，或说，系统含有r个积分步骤。依据r=0，1，2，……等不一样数值，分别称作0型、I型、Ⅱ型、……系统。自动控制理论已经证实，0型系统稳态精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上系统极难稳定。所以，为了确保稳定性和很好稳态精度，多选择I型和II型系统。经典I型系统在跟随性能上能够做到超调小，但抗扰性能稍差，经典Ⅱ型系统超调量相对较大，抗扰性能却比很好。这是设计时选择经典系统关键依据。2.2.1工程设计方法基础思绪工程设计方法基础思绪将控制对象校正成为经典系统。对于双闭环调速系统来讲就是设计转速、电流两个调整器。设计思绪是:（1）选择调整器结构,使系统经典化并满足稳定和稳态精度。（2）设计调整器参数，以满足动态性能指标要求。工程设计方法特点：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算公式，而且指明参数调整方向；（4）能考虑饱和非线性控制情况，一样给出简单计算公式；（5）适适用于多种能够简化成经典系统反馈控制系统。2.2.2工程设计方法设计步骤实际双闭环调速系统动态结构图以下图所表示，图中增加了滤波步骤，包含电流滤波、转速滤波和两个给定信号滤波步骤。T0i是电流反馈滤波时间常数,T0n是转速反馈滤波时间常数。系统设计通常标准是先内环后外环。从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整系统中一个步骤，再设计转速调整器。2.2.3电流环（电流调整器）设计电流环设计分为以下多个步骤：电流环结构图简化电流环结构图简化内容有忽略反电动势动态影响等效成单位负反馈系统小惯性步骤近似处理电流调整器结构选择从稳态要求上看，期望电流无静差，以得到理想堵转特征，采取I型系统。从动态要求上看，实际系统不许可电枢电流在突加控制作用时有太大超调，以确保电流在动态过程中不超出许可值，而对电网电压波动立即抗扰作用只是次要原因，为此，电流环应以跟随性能为主，应选择经典I型系统。电流环控制对象是双惯性型，要校正成经典I型系统，显然应采取PI型电流调整器。电流调整器参数选择电流调整器参数有：Ki和ti，可依据所需要动态性能指标选择。在通常情况下，可选x=0.707，KITSi=0.5。假如实际系统要求跟随性能指标不一样，应作对应改变；另外，假如对电流环抗扰性能也有具体要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。电流调整器实现采取模拟电路组成电流调整器，则需依据所选R0计算电阻Ri电容Ci和Coi值。2.2.4转速环（转速调整器）设计转速环设计分为以下多个步骤：电流环等效闭环传输函数计算电流环经简化后可视作转速环中一个步骤，为此，须求出它闭环传输函数。接入转速环后内，电流环等效步骤输入量应为U*i(s)。电流闭环控制改造了控制对象，加紧了电流跟随作用，这是局部闭环（内环）控制一个关键功效。转速调整器结构选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必需有一个积分步骤，它应该包含在转速调整器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分步骤，所以转速环开环传输函数应共有两个积分步骤，所以应该设计成经典Ⅱ型系统，这么系统同时也能满足动态抗扰性能好要求。由此可见，ASR也应该采取PI调整器。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波步骤移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1/KI和T0n两个小惯性步骤合并起来，近似成一个时间常数为惯性步骤转速调整器参数选择转速调整器参数包含Kn和tn。根据经典Ⅱ型系统参数关系，中频宽h应选择多少，要看动态性能要求决定。无特殊要求时，通常可选择h=5，实际系统要求跟随性能指标不一样，应作对应改变。转速调整器实现采取模拟电路组成电流调整器，则需依据所选R0计算电阻Rn电容Cn和Con值。最终要进行全部近条件校验，假如不满足则需重新计算。2.3转速环和电流环关系：外环响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统特点。这么做，即使不利于快速性，但每个控制环本身全部是稳定，对系统组成和调试工作很有利。

三．直流调速系统串联校正设计实例（参考）双闭环直流调速系统建模机电时间常数求取：=s将数据代入可得：电磁时间常数求取：又将数据带入公式（17）可得系统动态结构框图以下：和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波步骤移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和两个小惯性步骤合并起来，近似成一个时间常数为惯性步骤，其中：转速环结构简化以下：为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必需有一个积分步骤，它应该包含在转速调整器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分步骤，所以转速环开环传输函数应共有两个积分步骤，所以应该设计成经典Ⅱ型系统，这么系统同时也能满足动态抗扰性能好要求。由此可见，ASR也应该采取PI调整器，其传输函数为：式中—转速调整器百分比系数；—转速调整器超前时间常数。这么，调速系统开环传输函数为：令转速环开环增益为：则：2.转速调整器参数计算转速调整器参数包含和。根据经典Ⅱ型系统参数关系：至于中频宽h应选择多少，要看动态性能要求决定。无特殊要求时，通常可选择转速调整器实现：模拟式转速调整器电路—为转速给定电压—为转速负反馈电压—调整器输出是电流调整器给定电压调速系统转速调整器设计系统参数确定预先选定参数（1）调整器输入回路电阻R0为简化起见，调整器输入电阻通常均取相同数值，通常选择10~60KΩ，在这我们取R0=(10KΩ+10KΩ)=20KΩ（2）电流反馈系数β（取最大输入电压=10V）设最大许可电流Idm=1.5IdN，有Idm=1.5×1.6=2.4A（3）速度反馈系数α（4）电流滤波时间常数Tfi及转速滤波时间常数Tfn因为电流检测信号和转速检测信号中含有谐波分量，而这些谐波分量会使系统产生振荡。所以需加反馈滤波步骤。滤波步骤能够抑制反馈信号中谐波分量，但同时也给反馈信号带来惯性影响，为了平衡这一惯性影响，在调整器给定输入端也加入一个一样参数给定滤波步骤。电流滤波时间常数Tfi通常取1~3m