电力拖动自动控制系统课程设计.doc

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1、课程设计任务说明书某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：，,，电枢回路总电阻，电枢电路总电感,电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数电流反馈系数电压反馈系数滤波时间常数，;调节器输入电阻。设计要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。目录第一节 双闭环调速系统第二节 双闭环调速系统的性能分析第三节 双闭环系统设计第四节 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真第五节 心得体会参考文献第一节 双闭环调速系统一、采用双闭环调速系统的原因采用转速负反馈和PI调节

2、器的单闭环调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但对于要求较高的动态性能的场合，由于单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，因而难以满足控制需求。为了实现在最大电流受限制的条件下调速系统最快起动过程，要求在充分利用电机的允许过载能力，在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转速和负载相平衡，从而转入稳定运行状态。理想的起动过程波形如图1-1所示。采用双闭环调速系统完全可以达到上述要求，在起动过程中只有电流负反馈，而不让他和朱安度负反馈图施加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又靠转速的

3、负反馈作用，不再依靠电流负反馈起主要作用。图1-1 调速系统理想快速起动过程二、转速和电流双闭环调速系统的组成为实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1-1所示。这就是说，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节器在里面，叫做内环；转速还在外变，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图1-1 转速、电流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图示与图1-2。在图上标出了两个调节器输入输

4、出点电压的实际极性，它们是按照触犯装置GT的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。图 1-2 双闭环调速系统电路原理图第二节 双闭环调速系统的性能分析一、静特性和稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图2-1所示。他可以很方便的根据图1-2的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一

5、般存在这样两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。档调节器饱和时。输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器的作用使输入偏差电压在稳态时总是零。图2-1 双闭环调速系统稳态结构图二、双闭环调速系统的动态性能1、动态数学模型双闭环调速系统的动态结构图如图2-2所示，图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流显露出来。图2-2 双闭环调速系统的动态结构图2、起动过程分析双闭环调速系统是建立在但

6、闭环调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外，很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求，这就需要一个电流截止负反馈系统。由图2-3启动电流的变化特性可知，在电机启动时，启动电流很快加大到允许过载能力值，并且保持不变，在这个条件下，转速得到线性增长，当开到需要的大小时，电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值，对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为,随着转速n的上升，也上升，达到稳定转速时，。3、动态跟随性能双闭环调速系统起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在

7、设计调节器时应强调有良好的跟随性能。4、动态抗扰性能负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此在突加（减）负载时，必然会引起动态转速降（升）。为减少动态速降（升），设计ASR时必须要求系统有较好的抗扰性能指标。同时，由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速之后才有所反应。第三节 双闭环系统设计在进行多环控制系统的的设计时，一般的设计原则是：从内环开始，一环一环地逐步想外环扩展。在这里是，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是调节系统中的一个环节，再对转速换进行设计。双闭环调速系统的动态结构图如图

8、3-1所示，它增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为平衡这一迟滞作用，通常在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，乘坐给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过形同的延滞，是二者在时间上得到恰当的配合，从儿带来设计上的方便。图3-1 双闭环调速系统的动态结构图一、电流环的设计1.时间常数（1）整流装置滞后时间常数。由电力拖动自动控制系统中表1-2查得，三相桥式电路的平均失控时间为。（2）电流滤波时间常数（3）电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取。2.选着电流调节器结构根据设计要求：，而且因

9、此可按典型I型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为3.选择电流调节器参数ACR超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，应取（见表2-2），因此于是，ACR的比例系数为4.校验近似条件电流环截止频率（1）晶闸管装置传递函数近似条件：现在，满足近似条件。（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：根据题意，得则即有现在满足近似条件。（3）小时间常数近似处理条件：现在满足近似条件。4.计算调节器电阻和电容图3-2 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器电流调节器原理图如图3-2，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下， 取， 取, 取按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：（见表2-2），满

10、足设计要求。二、转速环的设计1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数为（2）转速滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取（3）转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取2.选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为3.选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益于是，ASR的比例系数为4.校验近似条件转速环截止频率为 （1） 电流环传递函数简化条件：现在满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件：现在满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容图 3-3

11、 带微分负反馈的转速调节器转速调节器原理图如图3-3，取，则 取 取 取 取 取至此，双闭环调速系统的转速调节器、电流调节器设计完毕。第四节 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真一、仿真软件介绍利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。 在工程设计时，首先根据典型I型系统或典型型系统的方法计算调节器参数

12、，然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。也可用MATLAB仿真软件包的设计工具箱设计其它各种控制规律的调节器，鉴于篇幅不一一展开。二、仿真设计通过对整个控制电路的设计，用MATLAB/SIMULINK对整个系统进行仿真。首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如3-1图所示。仿真模型与系统动态结构图的各个环节基本上是对应的，需要指出的是，双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑

13、饱和和输出限幅的PI调节器。模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器intergrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值有饱和模块saturation设定。当该调节器用作转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。为了是系统更简洁，利用了SIMULINK的打包功能将调节器模型缩小为一个分支模块。三、仿真结果基于MatlabSimulink仿真软件的转速、电流双闭环调速系统仿真模拟图如图4-1所示。图4-2 双闭环调速系统输出转速波形图4-3 双闭环调速系统电流环电流输

14、出波形第五节 心得体会两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。课程设计给我们提供了专业课程知识综合应用的实践训练的机会，通过这次课程设计，综合运用了本专业所学各门课程的理论，同时也使本学期电力拖动控制系统课程中的知识得到了巩固和加强。特别是对电流、转速双闭环调速系统的调速性能、设计步骤以及设计方法都有了较为深刻的认识和理解。在对转速、电流双闭环控制器的设计中，有不少参数的计算方法以及课本中提供的公式不理解，但是通过同组同学的帮助以及在

15、机上网查阅资料都将这些问题一一解决。在对双闭环系统进行仿真实验时，转速输出为负无穷大，输入偏差电压为衡值，导致系统失去稳定性。通过同学的帮忙，最后在MATLAB中重新搭建仿真模拟结构图，才克服了系统失稳的问题并使最终输出电流、转速波形达到设计预期的要求。通过这次课程设计，我学会了MATLAB仿真软件中SIMULINK模块进行仿真实验的使用。同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高，同时也培养了我们团队合作的能力。总而言之，通过这次课设我收获良多。参考文献1王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.2汤蕴缪，等.电机学(第三版).北京：机械工业出版社，2007.3谢克明,等.自动控制原理(第二版).北京：电子工业出版社，2008.4陈伯时，电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版)M.北京：机械工业出版社,2005.5张圣勤，Matlab 7.0实用教程，北京：机械工业出版社，2006.