双闭环直流调速系统的课程设计

1、目录任务手册一目录二前言1第一章双闭环DC调速系统的工作原理21.1双闭环DC调速系统介绍21.2双闭环DC调速系统的组成31.3双闭环DC调速系统的稳态结构图和静态特性41.4双闭环DC调速系统的数学模型51.4.1双闭环DC调速系统的动态数学模型51.4.2启动过程分析6第二章调节器工程设计92.1调节器9的设计原则2.2一类系统和二类系统10的性能比较2.3电流调节器11的设计2.3.1结构框图的简化和结构11的选择2.3.2时间常数的计算122.3.3选择电流调节器13的结构2.3.4电流调节器参数的计算132.3.5验证近似条件142.3.6计算调节器15的电阻和电容2.4调速器15

2、的设计2.4.1速度环15结构图的简化2.4.2时间常数的确定172.4.3选择速度调节器结构172.4.4速度调节器参数的计算172.4.5测试近似条件182.4.6调节器电阻和电容的计算19第3章Simulink仿真203.1电流回路20的模拟设计3.2速度环21的仿真设计3.3双闭环DC调速系统仿真设计22第四章设计体验24参考文献25前言许多生产机器需要在一定范围内平稳的速度调节和良好的稳态及动态性能。然而，DC调速系统调速范围宽，静态误差率小，稳定性好，动态性能好。在高性能拖动技术领域，DC电动拖动系统已经使用了几乎很长时间。双闭环DC速度控制系统是DC速度控制系统中最成熟、应用最广

3、泛的动力传输系统。它具有动态响应快、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干扰性能，能够有效地抑制反馈回路正向通道上的所有干扰效应。采用转速负反馈和比例积分调节器的单闭环速度控制系统，在系统再次稳定的条件下，可以实现无转速静态差。然而，如果要求系统的动态性能很高，如启动制动、突然负载的动态速度下降小等，单闭环系统很难满足要求。这主要是因为在单个闭环系统中，动态过程的电流或转矩不能按照要求完全控制。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节专门用于控制电流。然而，只有在超过临界电流值之后，强负反馈才限制电流的影响，并且不能完全控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电

4、流限制的情况下，充分利用电机的允许过载能力，在整个过渡过程中最好将电流(转矩)保持在最大允许值，这样电驱动系统可以尽可能以最大加速度启动，达到稳定转速后，电流可以立即减小，这样转矩可以立即与负载平衡，从而实现稳定运行的转移。此时，启动电流形成方波，转速线性增加。这是速度控制系统在最大电流转矩条件下能够获得的最快启动过程。随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置被广泛应用于现代工业生产中，对其生产工艺和产品质量的要求也在不断提高。这就要求越来越多的生产机械实现制动调速。因此，我们需要对这种自动调速系统进行深入的了解和研究。本设计的主题是双闭环晶闸管不可逆DC调速系统，包括主电路和控制电路。主电路

5、由晶闸管组成，控制电路主要由检测电路和驱动电路组成。检测电路包括转速检测和电流检测等。第一章是双闭环DC速度控制的工作原理双闭环(速度环、电流环)DC速度控制系统是一种应用广泛、经济适用的动力传输系统。它具有动态响应快、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干扰性能，能够有效地抑制反馈回路正向通道上的所有干扰效应。采用转速负反馈和比例积分调节器的单闭环速度控制系统，在保证系统稳定性的条件下，可以实现无转速静态差。然而，如果要求系统的动态性能很高，如启动制动、突然负载的动态速度下降小等，单闭环系统很难满足要求。这主要是因为在单个闭环系统中，动态过程的电流或转矩不能按照要求完全

6、控制。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节专门用于控制电流。然而，它仅通过超过临界电流值后的强负反馈来限制电流的影响，不能很好地控制电流的动态波形。带有电流截止负反馈的单闭环速度控制系统启动时的电流和转速波形如图1-(a)所示。当电流从最大值减小时，电机转矩也将减小，因此加速过程将不可避免地继续。国际日期变更线nt编号O特发性心肌病国际日期变更线nt编号O特发性心肌病Idcrnn(a)(b)(a)具有电流截止负反馈的单闭环速度控制系统的启动过程(b)理想的快速启动过程图1调速系统启动时的电流和转速波形在实际工作中，我们希望在电机最大电流(转矩)有限的情况下，充分利用电机的允许过载能力。在整个

7、过渡过程中，最好将电流(扭矩)保持在最大允许值，以便尽可能以最大加速度启动电动驱动系统。达到稳定转速后，电流将立即减小，使转矩立即与负载平衡，从而转向稳定运行。这种理想的起动过程波形如图1-(b)所示。此时，启动电流形成方波，转速线性增加。这是速度控制系统在有限的最大电流(扭矩)条件下能够获得的最快启动过程。事实上，由于主电路电感的影响，电流不会突然跳跃。为了在允许的条件下实现最快的启动，关键是获得一个恒定的电流过程，使电流保持在最大值。根据反馈控制律，某一物理量的负反馈可以保持该量基本不变，然后电流负反馈可以得到一个近似恒定的电流过程。问题在于，希望在启动过程中只能使用电流负反馈，而不能将其

8、与速度负反馈一起添加到调节器的输入端。达到稳定速度后，也希望只要速度负反馈不依赖电流负反馈发挥其主要作用，所以我们采用双闭环速度控制系统。这样，转速和电流有两种负反馈效应，它们可以在不同的阶段起作用。1.2双闭环DC调速系统的组成为了实现转速和电流的两种负反馈分别作用，系统中设置了两个调节器分别调节转速和电流。两者之间实现级联连接。如图2所示，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，然后电流调节器的输出用于控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构来看，电流调节环在里面，称为内环。速度环在外面，称为外环。这样就形成了转速和电流双闭环速度控制系统。双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般采用比例积

9、分调节器。由于PI调节器作为校正装置，不仅能保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时能得到无静差的调速，而且提高了系统的稳定性。作为控制器，它能满足快速响应和消除统计的要求1.3双闭环DC调速系统的稳态结构图和静态特性Ksa1/Ce联合国Uct编号EnUd0联合国-ASRU*i-IdRrbACR-用户界面UPE图3:双闭环DC调速系统稳态结构图双闭环DC系统的稳态结构图如图3所示。分析双闭环调速系统静态特性的关键是掌握PI调节器的稳态特性。一般有两种情况：饱和输出达到极限值；不饱和输出没有达到限幅值。当调节器饱和时，输出是恒定的，输入的变化将不再影响输出，这相当于打开调节器回路。当调节器未饱和时

10、，PI动作使输入偏置电压稳定时始终为零。事实上，在正常运行期间，电流调节器不会达到饱和。因此，对于静态特性，只有饱和和非饱和两种情况的速度调节器。1.速度调节器未饱和此时，两个调节器都没有饱和，它们的输入偏置电压在稳态下为零。因此，=(1-1)=(1-2)可从公式(1-1)获得：n=从而得到静态特性曲线的临界截面。同时，由于ASR不饱和，可以看出这意味着CA片段特征从Id=0继续到=。然而，它通常大于额定电流。这是静态特性的操作部分，这是一个水平特性。2.速度调节器饱和此时，ASR输出达到极限值，转速外环处于开环状态，转速的变化对系统没有影响。双闭环系统已成为无静态电流差的单电流闭环调节系统。

11、稳定状态下：=(1-3)其中，最大电流取决于电机允许的过载能力和拖动系统允许的最大加速度。截面AB的静态特性可以从上面的公式中获得，这是一个垂直特性。这是下垂特性仅适用的情况，因为如果是这样，ASR将退出饱和状态。图4双闭环DC调速系统静态特性曲线1.4双闭环DC调速系统的数学模型1.4.1双闭环DC调速系统的动态数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是基于传递函数或零极点模型的系统动态结构图。双闭环DC调速系统的动态结构框图如图5所示。速度调节器和电流调节器的传递函数如图所示。为了产生电流反馈，电枢电流必须在电机的动态结构图中显示出来。联合国aUct-IdLnUd0联合国-b-用户界面

12、WASRWACRKsTss 11/RTl s 1rTmsU*i编号1/CeE图5:双闭环DC调速系统动态结构框图1.4.2启动过程分析当双闭环DC调速系统在给定电压下从静态突然启动时，调速器输出电压、电流调节器输出电压、可控整流器输出电压、电机电枢电流和速度的动态响应波形过程如图2-8所示。由于调速器ASR在启动过程中经历了不饱和、饱和和去饱和三种状态，整个动态过程分为、和三个阶段。图6双闭环DC调速系统启动时的速度和电流波形第一阶段是当前的上升阶段。当突然施加给定电压时，由于电机的大机电惯性，电机不能旋转(n=0)，转速负反馈电压，此时，ASR的输出突然增加到，ACR的输出是，可控整流器的输

13、出是，因此电枢电流迅速增加。当它增加到(负载电流)时，电机开始旋转，然后速度调节器ASR的输出迅速达到极限值，使得电枢电流达到相应的最大值(该过程中的减小是由电流负反馈引起的)，然后电流负反馈电压基本上等于ACR的给定电压，即(1-3)其中，电流反馈系数为。速度调节器ASR的输出极限值是根据第二阶段是恒流加速阶段。从电流上升到最大值直到速度上升到给定值，这是启动过程的主要阶段。在这个阶段，ASR总是饱和的，速度的负反馈没有调节作用。速度环相当于开环状态，系统显示恒定电流调节。因为电流保持在恒定值，即系统的加速度是恒定值，所以转速n根据线性规则上升，并且已知它也线性增加，这需要线性增加。因此，在

14、启动过程中，电流调节器不应饱和，晶闸管可控整流环节不应饱和。第三阶段是速度调整阶段。速度调节器在这个阶段工作。开始时，转速上升到给定值，ASR的给定电压与转速负反馈电压平衡，输入偏差等于零。然而，由于积分效应，其输出仍保持在极限值，因此电机仍以最大电流加速，导致转速过冲。过冲之后，ASR将退出饱和，其输出电压(即ACR的给定电压)将从极限值下降，极限值也将下降。然而，由于它仍然大于负载电流，转速将在一段时间内继续上升。那时，电机将在负载的阻力下开始减速，知道它是稳定的(如果系统的动态质量不够好，它可能在稳定之前振荡几次)。在这个阶段，人工呼吸和人工呼吸同时发挥作用。由于速度调节器位于外环，所以

15、ASR处于主导地位，而ACR试图使该功能尽快跟随ASR输出的变化。稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR和ACR的输入偏置电压都为零，但由于积分，它们都具有恒定的输出电压。自动驾驶仪的输出电压为(1-4)交流发电机的输出电压为(1-5)由此可见，在双闭环调速系统中，ASR在大部分启动过程中处于饱和极限状态，速度环相当于开路，系统呈现恒流调节，基本实现了理想过程。双闭环速度控制系统的速度响应必须有超调。只有在过冲之后，速度调节器才能退出饱和状态，这样ASR才能在稳定运行中起调节作用，从而在稳定和接近稳定运行中速度控制可以在没有静态差异的情况下进行。因此，双闭环速度控制系统具有良好的

16、静态和动态品质。综上所述，双闭环速度控制系统的启动过程具有以下三个特点：(1)饱和非线性控制：随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于两种完全不同的状态。在不同的情况下，不同结构的线性系统只能用分段线性方法来分析，这样的控制系统一般不能用线性控制理论来设计。(2)速度超调：当速度调节器ASR采用比例积分调节器时，速度肯定会超调。转速的微小超调通常是允许的，当根本不允许超调时，应采用其他控制方法来抑制超调。(3)准时间最优控制：在设备允许的条件下实现最短时间的控制称为“时间最优控制”。对于电力传动系统，在电机允许过载能力限制下的恒流起动是时间最优控制。然而，由于在起动过程一和起动过程二的两个阶段中电流不会突然改变