双闭环调速系统

1、目录一、设计任务 3二、系统建模 4三、系统设计 8四、系统调试16五、系统评估19六、心得体会22附、原始实验数据清单一、设计任务双闭环直流不可逆调速系统设计：为了使电动机在起动过程中只有电流反馈，没有转速负反馈，达到稳定转速后，又只有转速负反馈而无电流负反馈，我们可以在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者嵌套相连，电流环在内，转速环在外，形成双闭直流环调速系统。设计时，应由内而外，先确定电流调节器ACR，再确定转速调节器ASR。调速控制系统的一般动态性能指标：跟随性能：超调量s（%） 反映系统的动态调节稳定性能上升时间 tr 反映系统的动态调节快速性能调节时间 ts

2、反映系统的动态调节过渡周期抗扰性能：动态降落比 Cmax% 反映系统扰动引起的最大动态误差恢复时间 tr 反映系统的动态抗扰调节快速性能1. 设计目标性能指标：静态： s% 5% D = 3动态： si% 5% sn% 10% 已知条件：最大速度给定 U*nm = 5v最大电流给定 U*im = 5v最大电枢电流 Idm = 1.4A电流反馈强度 b = 5v/ 1.4A速度反馈强度 a = 5v/ 1450rpm调节器输入电阻 R0 = 20KW调节器输入滤波电容 C0i = 0.224mF Con= 0.104mF2. 实验设备（1）MCL-型电力电子及电气传动教学实验台（容量1.5KW

3、质量150Kg 体积1.60.751.6m3。）（2）TDS1012型示波器（带宽100MHz,实时采样率1GS/s）（3）GDM-8145型数字万用表二、 系统建模待测参数：1. 电动机 电枢内阻 Ra 电势转速系数 Ce2. 整流电源 等效内阻 Rn 放大系数 Ks3. 平波电感 直流内阻 Rd4. 电枢回路 总电阻 R= Ra+ Rn+ Rd 电磁时间常数 TL 机电时间常数 Tm（1）确定电枢回路总电阻RId/A0.70.80.9Ud/V374247电机静止，调节Uct大小测得电枢回路的总电阻 R = (Ud2-Ud1)/(Id2-Id1) = 50（2）确定电枢内阻Ra、平波电感内阻

4、Rd、变流电源内阻Rn1. 电机静止，电枢回路外串限流电阻2. 固定控制信号 Uct 大小，Id 1A(额定负载热效点)3. 使电枢处于三个不同位置（约120对称）进行三次测量(Ura，Urd，Id)，求 Ra ，Rd 的平均值0120240Ura/V20.5020.2820.35Urd/V12.0412.1412.09Ra=(20.50+20.28+20.35)/3=20.38Rd=(12.04+12.14+12.09)/3=12.09Rn=R-Ra-Rd=17.53(3)确定电动机电势转速系数Ce1. 空载启动电机并稳定运行（Id0大小基本恒定）2. 给定两个大小不同的控制信号 Uct ，

5、测量两组稳定运行时的Ud、n数据n/rpmId/AUd/VUct/V13830.11971.510480.11501.0Ce = (197-150)/(1383-1048) = 0.14 V/rpm(4) 确定整流电源放大系数Ks电机静止，电枢回路外串限流电阻1. 分级调节控制信号 Uct 大小，并保持Id 1A2. 在Ud0有效范围内，测量每一组 Uct ，Ud，Id，数据应大于10 组以上，测量上限不低于最大理想空载整流输出电压Ud0max3. 按 Ud0 = Ud+IdRn 作出电源输入-输出特性曲线(用Excel生成)4. 取线性段3段以上斜率，求其平均值得KsUct/V0.0170.

6、2500.5000.7501.0001.2531.5001.7522.000Ud/V7234380120151176197213Id/A0.010.10.180.300.420.520.600.690.75Uct/V2.2502.5002.7523.0563.2503.5003.7504.0004.220Ud/V227239248258263269274278282Id/A0.800.820.880.900.920.950.980.991.00用EXCEL计算Ud0(图中D为Ud0)，并拟合曲线：我们小组的每个成员都取了几段斜率，并计算了Ks的值，最后取平均值得：Ks=96（5）确定电枢回路电

7、磁时间常数Tl1.断开电枢回路连线2.使用电感表测量电枢回路总电感量 L测得：La=0.671H Ld=0.355HL=La+Ld=1.026HTl = L/R = 1.026/50 = 0.02052s(6) 确定电枢回路机电时间常数Tm1. 电机空载，突加给定，并使起动峰值电流达到系统设定最大电流Idm2. 记录 id 波形，由下列公式计算TmId波形：Tm=0.085s三、 系统设计设计原则：由内而外，先设计电流调节器ACR，再设计转速调节器ASR。设计步骤：（1）从电流环开始，对其进行必要的变换和近似处理；（2）根据电流环的控制要求确定把它校正成典型I型系统（电流环应以跟随性能为主）；

8、（3）按照控制对象确定电流调节器的类型；（4）按动态性能指标要求确定电流调节器的参数；（5）将电流环等效成为转速换中的一个环节；（6）用同样的方法设计转速环。系统传递函数结构图：性能指标：静态： s% 5% D = 3动态： si% 5% sn% 10% 已知条件：最大速度给定 U*nm = 5v最大电流给定 U*im = 5v最大电枢电流 Idm = 1.4A电流反馈强度 b = 5v/ 1.4A速度反馈强度 a = 5v/ 1450rpm调节器输入电阻 R0 = 20KW电枢回路总电阻 R=50调节器输入滤波电容 Coi = 0.224mF Con= 0.104mF时间常数 Tm=0.08

9、5s Tl=0.02052s 电势转速系数 Ce=0.14V/rpm1.设计电流调节器ACR，要求电流超调量si% 5%（1）确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s 2）电流滤波时间常数ToiToi = R0*Coi/4 = 0.00112s3）电流环小时间常数之和 Ti = Ts + Toi = 0.00282s(2) 选择电流调节器的结构设计要求si% 5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计ACR。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：Wacr(s) = Ki(tis+1)/tisTl/ Ti = 0.0

10、2052/0.00282 = 7.28(3) 计算ACR参数ti = Tl =0.02052 = 5/1.4 = 3.57取KI Ti=0.25, kI=0.25/0.00282 = 88.7s-1ACR比例系数为：Ki=KItiR /Ks=88.7*0.02052*50/96*3.57=0.266(4) 校验近似条件Wci=KI=88.7 s-11）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/3Ts = 1/(3*0.0017) = 196.1 s-1 Wci 满足近似条件2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3*（1/Tm*Tl）= 3*(1/0.085*0.0282) = 61.28

11、 s-1 Wci 满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容，R0=20kRi = Ki*R0 = 0.266*20 = 5.32 kCi = ti/Ri = 0.02052/5320 = 3.86 uFCoi = 4Toi/R0 = 4*0.00112/20000 = 0.224 uF2.设计转速调节器ASR，要求sn% 10%已知a = 5v/ 1450 =0.0034 rpm（1）确定时间常数1）电流等效时间常数,取KI Ti=0.25 1/KI = 4*TI = 4*0.00282 = 0.011282）转速滤波时间常数Ton Ton = R0*Con/4 = 0.00052s3）转速环小

12、时间常数Tn=1/KI + Ton = 0.0118s(2) 选择电流调节器的结构设计要求si% 10%，为实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应包含在转速调节器ASR中，由于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，所以可按典型II型系统设计ASR。其传递函数为：Wacr(s) = Kn(tns+1)/tns(3) 计算ASR参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，ASR的超前时间常数为：tn=h* Tn = 5*0.0118 = 0.059转速环开环增益KN = (h+1)/2*h2* Tn2 = 6/(2*25*0.0118

13、2)=861.82ASR比例系数：Kn = (h+1) bCeTm / 2haR Tn = 6*3.57*0.14*0.085/(2*5*0.0034*50*0.0118)= 12.71(4) 校验近似条件转速环截止频率：Wcn = KN/w1 = KN tn = 50.851）电流环传递函数简化条件：(（KI/ Ti）)/3= (88.7/0.00282)）/3 = 59.12 s-1 Wcn 满足简化条件2）转速环小时间常数近似处理条件：(（KI/ Ton）)/3= (88.7/0.00052)/3 = 137.67s-1 Wcn 满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容，R0=20kRn

14、= Kn*R0 = 12.71*20 = 254.2 kCn = tn/Rn = 0.059/ = 0.23 uFCon = 4Ton/R0 = 4*0.00052/20000 = 0.104 uF初始方案：根据之前求得的参数Ks、Tm、Tl等，限幅值为+5和-5。ACR的比例系数：Ki = 0.266ACR的超前时间常数：ti =0.02052ASR的比例系数：Kn = 12.71ASR 的超前时间常数：tn = 0.059慢慢调节ASR和ACR的参数（双击模块进行参数设置），使得系统达到无静差用simulink构建的结构图：波形图：转速放大图：% = （1490-1450）/1450 =

15、2.76%系统无静差电流放大图：最终方案：经小组成员讨论之后，我们决定采用如下方案：波形图：Idm = 1.4A,Id = Id0变为Id = Idm/2当Un*=5V时：转速放大图：%=（1500-1450）/1450=3.45%系统无静差电流放大图：当Un*=5/3=1.67V时：转速放大图：%=（540-480）/480=12.5%电流放大图：四、 系统调试ASR、ACR的PI参照参数：Ri = 5.32 k Rn = 254.2 kCi = 3.86 uF Cn = 0.23 uFCoi = 0.224 uF Con = 0.104 uF调试步骤：1. 单元调试整定ACR、ASR的运放

16、输出限幅值（1） 将零速封锁器置于“解除”状态；（2） 按调节器设置参数Rn、Ri、Cn、Ci将ASR、ACR接成PI调节器；（3） 选择有效输入端，加输入电压信号；（4） 根据已知给定及Ks曲线调试ASR、ACR的输出信号大小，并调节各自的限幅电位器RP1、RP2，直至输出电压为设定限幅值。2. 系统调试电流环整定：（1） 断开电流励磁电源，电枢回路串联限流电阻置于最大值；（2） 接通总电源，设定Uct为2.5V，再接通主回路电源，适当减小可调电 阻使得Id = Idm/2；（3） 测量并调整电流反馈输出信号Ui =2.5V（调整电流反馈系数）；（4） 断开总电源，将Ui接入ACR输入端，并

17、完成电流环全部连线。转速环整定：（1） 完成速度环、电流环的完整连线；（2） 将测速装置输出信号接入速度变换器输入端，其输出端分别接ASR的输入端和零速封锁器的2端（同时将其1端接入给定信号Un*）；（3） ASR的输入2端接给定信号，输出端接ACR任意有效输入端；（4） 接通电机励磁电源，并切除电枢回路串联电阻；（5） 将零速封锁器置于封锁状态；（6） 加给定信号Un*，电机启动后加入发电负载，当Un* =5V时，同步调节和负载强度，满足n=nN ,Id = IN。电路连线图：系统性能测定：1. 静态性能测试：在保证稳定的前提下，在调速范围内，对应Uct =5V和5/3V（即1.67V）时分

18、别测量2条电动机静态性能曲线（1） Uct=5VId/A1.11.00.90.80.70.6Ud/V240239240240240240n/rpm145014541453145214531454数据拟合曲线：（2） Uct=1.67VId/A0.70.60.50.40.30.25Ud/V858080808384n/rpm442440443450454455数据拟合曲线：实验时我们犯了一个严重的错误，我们没有调节参数使得系统稳定，便直接开始测量机械特性，所以系统一直不稳定，速度及电流的震荡很大。这给我们的读数造成了很大的困扰，我们只能取一个大概，直接导致读数误差特别大。调节参数，系统稳定之后我们

19、也没有记录数据，所以这两条机械特性曲线并不可靠，估算静差率s % = 1.17%2. 动态性能测定：分别在空载和0.5倍额定负载时，突加最大给定Un* = 5V，观察Id和n的波形，在之前设计的参数的基础上调整ACR、ASR的PI参数，使其满足设计要求。波形图：由图知： 电枢电流无超调，i% = 0稳态误差：4.7-5 = -0.3V ； 速度超调 n% = （5.2-4.9）/4.9 = 6.12 % 速度稳态误差为： 4.9-5 = -0.1V。ASR、ACR最终整定PI参数：Rn = 70.4 k Cn = 0.2 uFRi = 9.9 k Ci = 1.9 uF五、 系统评估1. 系统

20、实际性能评价在进行系统调试的过程中，我们发现将计算出的结果带入实际系统中时，系统出现了等幅振荡，而且超调，转速均不满足要求，暂态特性不是很好，系统处于不稳定状态。在经过调试后，系统转速超调量满足条件，调节后系统的暂态特性有所改善，而且系统处于稳定状态。采用PI调节的单闭环系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是如果对系统的动态性能要求较高时，单闭环往往难以满足要求。为了使电动机在起动过程中只有电流反馈，没有转速负反馈，达到稳定转速后，又只有转速负反馈而无电流负反馈，我们可以在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者嵌套相连，电流环在内，转速环在外，形成双闭直流环调速

21、系统。电流调节器ACR的作用：（1） 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随给定电压Ui*的变化；（2） 对电网电压的波动及时抗扰；（3） 在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；（4） 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。转速调节器ASR的作用：（1） ASR是调速系统的主导调节器，它是转速n很快跟随给定电压Un*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动机允许的最大电流。双闭环调速系统的调速性能好，具有较好的动态性能，过渡过程短，启动时

22、间短，且稳定性好，抗干扰能力强，两个调节器分别设计整定，调节方便。2. 系统误差分析在进行系统调试时，我们将通过第一次实验计算出的ASR、ACR的PI参数作为参考，在其附近慢慢调试，使得波形达到我们所认为的最佳状态，然后确定最终参数：Rn = 70.4 k Cn = 0.2 uFRi = 9.9 k Ci = 1.9 uF不难看出，理论设计与仿真的结果和最终结果有一定的区别。在系统设计的过程中，由于ACR、ASR的分别选用的是典型I和II型系统，I型、II型系统的特性会使设计的系统本身具有一定的误差。从稳态要求上考虑，希望电流无静差，以得到理想堵转特性，从动态要求上考虑，实际系统不允许电枢电流

23、在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用是次要因素，所以电流调节器ACR按典型I型系统进行设计。I型系统对阶跃输入是无差系统，I型系统能跟随斜坡输入，但是存在稳态偏差，斜坡输入的稳态偏差与开环增益成反比，可以通过增加K值来减少偏差。转速调节器ASR选用的是II型系统。II型系统对阶跃信号和斜坡信号时无差系统，且能跟随抛物线输入，但是存在稳态偏差，稳态偏差是有限值，与开环增益成反比。至于其阶跃响应超调量较大的问题，是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中ASR的饱和非线性性质会使超调量大大降低。在系统调试的过程中，ASR、ACR各自的限幅电

24、位器RP1、RP2等十分灵敏，调解=节时需一手按住螺母，一手用改刀缓缓调节。调节时只能调至近似，想要调到精确值十分困难。实验设备中的电容只精确到0.1，没有理论计算所得到的值精确。所以我们在调节的时候只能在计算值附近取值。这也是误差原因之一。3. 实验问题分析在设计系统的过程中，我们组遇到了一些问题：系统建模时，需先测得整流电源的等效内阻Rn，此时应保持Uct固定不变，Id介于0.5A-1A之间，然后测量几组Ud、Id的数据根据式： Rn = (Ud2 Ud1)/(Id2 Id1)求得Rn。而我们组调节了Uct,测得Ud、Id的数据后计算出的Rn为50。这样一来我们算出的R达到了82.47之高，这与要求的R为50相差了许多。回过头来查找原因时我们才发现之前测得的50是电枢的总电阻，Rn = 50-Ra-Rd =17.53 值得一提的是，实验时我们没有调节参数使得系统稳定，便直接开始测量机械特性，所以系统一直不稳定，速度及电流的震荡很大。这给我们的读数造成了很大的困扰，我们只能取一个大概，直接导致读数误差特别大。调节参数，系统稳定之后我们也没有记录数据，事后写报告时我们才发现了这个严肃的问题。以后一定要吸取教训！出于对实验设备的安全保护，我们在调整调整电流反馈系数时，将输出电压信号Ui和电机点数电流Id都减半，变为2.5V和0.7A。在系统调试的过程中，ASR、ACR各自的限幅电位