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.docx

摘要双闭环直流调速系统课程设计摘要：这份课程设计实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确宜观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。进一步解决限流问题，唯一的途径就是对电流也实行反馈控制，问题是怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系。经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。关键词：双闭环直流调速系统；不可逆系统；直流电动机；MATLAB；仿真；课程设计目录一设计题目1二已知条件及控制对象的基本参数1三设计要求1四设计方法及步骤1I用工程设计方法设计1(1)系统设计的一般原则(2)电流调节器设计2(3)转速调节器设计511用西门子调节器最佳整定法设计9(1)电流环的动态校正9(2)转速换的动态校正10m两种设计方法的分析与比较H五设计心得11六参考文献12一、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：(1)已知电动机参数为：Pnom=3kW,Ullom=220V,Inom=11.5,nwow=1500rmin,电枢绕组电阻Ra=I.25Q,GD2=3.53ah2<,采用三相全控桥式电路，整流装置内阻Rm=I.3。平波电抗器电阻与二0.3。整流回路总电感L=200mH°(2)这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR均采用Pl调节器，ASR限幅输出tr=-8V,ACR限幅输出Uwt=8V,最大给定U：MJ=IOV,调速范围D=20,静差率s=10%,堵转电流Idhl=2.Mnom,临界截止电流IdB=2Ltn。(3)设计指标：电流超调量泮5%,空载起动到额定转速时的转速超调量6“10%,空载起动到额定转速的过渡过程时间t50.5o三、设计要求(1)分别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。(2)对上述两种设计方法进行分析比较。(3)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四、设计方法及步骤：I用工程设计方法设计(1)系统设计的一般原则：按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，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。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-22所示，它包括了电流滤波，转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数TOi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在一直交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。再根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为TOn的给定滤波环节。图222双闭环调速系统的动态结构图(2)电流环设计电流环动态结构图及简化在图2-22点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于儿机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即dE=0.在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-23所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中WCi-电流环开环频率特性的截止频率。如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*(s)7,则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便之处了。最后由于TS和TOi一般都比TI小的多，可应当作小惯性群而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为：TLr+Tm进而再一步简化电流环动态结构图。图223电流环的动态结构图及其化简1）确定时间常数根据已知数据得TGD2R3.53X2.85XTT八Tm=；s=0.162s375Cef375×0.1322×30上JOoX1。1二oo7s,R2.85三相桥式晶闸管整流电路的平均时间7；=00017s,取电流反馈滤波时间常数=0.002s,可得电流环的小时间常数为Tli=Ts+Toi=0.0017S+0.002s=0.0037S2）选择电流调节器结构007虽然-L=18.9>10,但从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控Tli0.0037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，对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用Pl调节器，其传递函数为：%（三）=K,空出3）选择电流调节器参数积分时间常数i=Tl=0.07s为满足b*5%要求，取电流环开环增益&为2Tli (2x0.0037)135. 14 S-i电流调节器比例系数Kj为“TiRCL,0.07×2.85CCrKi=C.-i-=135.14×=3.27Ks0.218×37.84取调节器的输入电阻R,=20kQ,则电流调节器的各参数为Ri=KiRo=3.27×20k=60.54k,取62kCT=嘿猾八L13",取"4 4x0002x10520×103F =0. 4 F ,取 0. 47根据上述参数可以达到的动态指标为 i%=4. 3%5%故能满足设计要求。4)校验近似条件电流环截至频率ci =/C=135.14l,晶闸管装置传递函数近似条件为 ¾-, C 3Ts1 1沅- 3x0.00175i=196. 1 5, > ci故该近似条件满足。忽略反电动势影响的近似条件为¾3/(TmTl),现3,1/(V；)=31/(0.162×0.07)J=28.2<,<知故该近似条件满足。小时间常数近似处理条件为4igjl(44),现g/(TxToi)二171(O.OO17×O.OO2)L=180.8J>ci故该近似条件满足。(3)转速环设计电流环经过简化后可视作为转速环中的一个环节，为此，需要求出它的闭环传递函数Wcli(s),忽略高次项，可由近似条件图226转速环的动态造构图及其简化接入转速环内，电流环在转速环内应等效为：这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效为只有较小时间常数1/K/的一个惯性环节，这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环(内环)的一个重要功能。转速环动态结构图及简化：1)确定时间常数因U；=annom,故转速反馈系数为a=-g-=V*minr=O.0067V*minr1500电流环的等级时间常数为2,=0.0074s.取转速反馈滤波时间常数7；“=0.01s,转速环的时间常数为Tii=2Tli+Toit=Q.0074s+0.01s=0.0174s2)选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似PI调节器，按典型H型系统进行设计。这样的系统同时也可满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，当近似PI调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为%sr(三)=K,Xns3)选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5,求出转速超调量6“和过渡过程时间txO如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当h=5时，ASR退饱和超调量为%=(ACW%)2(4-z)时,&CbnTm式中，4为电动机允许过载系数，按题意2=2.1；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0;%加为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，%加=今止；(竿-)是基准值为Cb时CeQA r-当h=5时，(空皿 Cb的超调量相对值，而G=2(/1-z)A%加冬。%)=81.2%,故起动到额定转速，即n=%wn时，退饱和超调量为n=9.2%l0%满足设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间4延长，ts可表示为其中4为恒流升速时间，L是退饱和超调过渡过程时间。CTn0.132×0.162×1500C1.=e,n三=s=0.31sRlnom2.85×2.1×17.5退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5时/°=8.8=0.153s。但恢复时间是按误差为5%G,计算的。这里Cz,=2TN= 2lnom=170. 4rmin,故 5% G =8.5rmin.,这就是说，转速进入8.5rmin的恢复时间为0.153s。但这里的恢复时间应按转速进入来计算，由于Wn=75r/min8.5rmin,显然所需时间将远小于O.153s，故可忽略不计，于是Z,f2=031s°可见，能满足设计要求。这样，就可根据h=5选择转速调节器的参数。ASR的时间常数为rn=h=5×0.0174s=0.087s转速环开环增益为1+ 1650×0.01742H = 396.4”ASR比例系数为(h+)CeTttt_6×0.218×0.132×0.162K11=8.4IhaRTn10×0.0067×2.85×0.0174如设调节器输入电阻R,=20k,则R=KnR,=8.4x20k=168k,取160kCq=“F=0.54,取0.47F4×0.01×10620×103F =2 F，取 2 F4)校验近似条件转速环截止频率为cn=-=Knn=396.4×0.087ST=34.5ST电流闭环传递函数简化条件为/,现57刀=s1=54.1s'>co5%5×0.0037'故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为COmI71/(2¾),现gjl(2.Q)=I1/(2X0.0037X0.01)ST=38.7551>cl故满足该简化条件5)易犯错误由例2-2知，此系统是有差系统，ASR似乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。这时，转速环的开环放大系数为根据设计指标，转速超调量要求5“10<,据此可选择参数为KNJ=O.69于是1170.69×0.132×0.218×0.162C,Wasr=9.7s0.0174×0.0067×2.85上述设计过程的错误是：ASR采用比例调节器，当其放大系数为9.7时，虽可满足动态指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时KASR=76.3,即ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR采用Pl调节器(或近似Pl调节器)后，才能较好地解决这个矛盾。为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用Pl调节器，并按典型口型系统进行设计。另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间4时，若查教材表2-6,当h=5时，得4:9.55=9.55x0.174s=0.17s是不对的，此错误在于：教材表2-6所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后，由于ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。11用西门子调节器最佳整定法设计(1)电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图2-27所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI调节器，即%(三)=口TDiS如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统所得调节器参数为i=Ti=RiCi=0.072×0.218×37.84×0.0037八2.85s=0.021s因此=201<,故。,=崂品&尸=1.05尸，取1尸，于是4=/=OB*-=70AC,取68X1。这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量i%=4%,上升时间r=4.77,.=4.7×O.0037s=0.017o(2)转速环的动态校正将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如教材中图2-33所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用PI调节器，即WACR(三)=K,2D2s如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统K.Q.C<Tm"2kR所得调节器参数为n=CnRlt=4×0.0174s=0.0696sU0.132×0.162×0.218fl2×0.0174×0.0067×2.85因R.=20kC,故R=K“R,=7X2OkQ=I40kC,取R,=130k,则C='=0.544F,取RnCw=O.47/Fo给定滤波器的时间常数为"4Q=0.0696s当转速调节器采用上述参数，并在输入端加给定滤波器一后，系统可以达到的动态指标T5+1为：转速最大超调量6=8.1%,过渡过程时间A=16.4T:16.4><0.0174s=0.265s°m两种设计方法的分析比较(1)西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型I型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I型系统中选K=的情况。2T(2)西门子设计方法中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型TI型系统中选中频宽h=4的情况。(3)西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR饱和，因此给出的It大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小5.，因此只要ASR饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。此外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这就给现场调试带来一定困难。六、设计心得：这次电力拖动自动控制系统课程设计历时一周，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，头有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候,基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。多和同学讨论，讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些；多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。在利用MATLAB软件中的Simulink进行本课程设计的系统仿真时，遇到了前所未有的麻烦，由于对软件的不熟练，仿真老是出现失误，但我没有放弃，上图书馆查阅资料，问同学，请教老师，终于完成了，心里真的好高兴，我收获的不仅仅是一门课程设计，还有对MATLABD的更深一层次的熟练与掌握，克服问题的耐心与执着。七、参考文献：1陈伯时.电力拖动自动控制系统（第3版）.北京：机械工业出版社2黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，3陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用.西安：西安电子科技大学出版社