双闭环直流调速系统课程设计 .doc

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1、目 录第一章 双闭环调速系统的组成1第一节 系统电路原理图1第二节 系统的稳态结构图2 第三节 系统的动态结构图6第二章 闭环系统调节器的设计9第一节 电流调节器的设计10第二节 转速调节器的设计12第三章 系统的仿真15总结23参考文献24 第一章 双闭环调速系统的组成第一节 系统电路原理图为了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解器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再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，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节器在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统

2、。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在用PI调节器，其原理图如图1-1.在图上标出了两个调解器输入输出的实际极性，它们是按照触发装置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，两个调解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ACR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1-1双闭环直流调速系统电路原理第二节 系统的稳态结构图转速电流双闭环调速系统的稳态结构图如图1-2所示，PI调节器的稳态特性一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到

3、限幅值。当调节器饱和是，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的，因此对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种状况。1、 转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，两个调节器的输入偏差电压都是零。因此式中a为转速反馈系数，b为电流反馈系数由第一个关系式可得从而得到图1-3静特性的C-A段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知:。这就是说，C-A段静特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。 2、转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值 ，转速

4、外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时式中，最大电流是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。所描述的静特性是上图中的A-B段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 图1-3 双闭环调速系统的静特性上述关系表明，在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，控制电压的大小则同时取决于和，或者说，同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例

5、环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 电流反馈系数 两个给定电压的最大值和由设计者选定，设计原则如下：受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制 为ASR的输出限幅值第三节 系统的动态结构图在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图

6、1-4所示：图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如图1-5所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、三个阶段 图1-5 双闭环直流调速系统启动时转速和电流的波形第I阶段电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调机器的控制作用，使、都上升，当后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR

7、由不饱和很快达到饱和，而ACR一般不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段是恒流升速阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。第阶段以后是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持

8、在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则，转速才到达峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小于的过程，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 第二章 双闭环系统调节器的设计双闭环调速系统的实际动态结构图如图2-1所示，在它与图1-3的不同之处在于增加了滤波环节，包括

9、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常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，虚假低通滤波，然而在抑制交流分量的同时，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。由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，根据电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。这样做的意义是，让给定信号与反馈信号经过相同的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。其中 为电流反馈滤波时间常数为转速反馈滤波时间常数 图2-1 双闭环调速系统的实际动态结构图系统

10、设计的一般原则：“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。第一节 电流调节器的设计 在经过忽略反电动势的动态影响，等效成单位负反馈系统，小惯性环节近似处理的简化后的电流结构框图如图2-2所示。图2-2 简化后的电流环动态结构框图图中：为电流环小时间常数之和，。一、时间参数的确定1、电动机的电动势系数：2、电机额定励磁下的转矩系数：3、电枢回路电磁时间常数：4、电力拖动系统机电时间常数：5、整流滤波时间常数：三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s6、电流滤波时间常数：三相桥式电路每个波头的时

11、间是0.0033s，为了基本虑平波头，应有（12），因此取7、电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。二、典型系统的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流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只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。图2-2表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 式中： 电流调节器的比例系数 电流调节

12、器的超前时间常数为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，则电流环的动态结构图便成为图2-3a所示的典型形式，其中 图2-3b给出了校正后电流环的开环对数幅频特性。a）b）图2-3 校正成典型I型系统的电流环a） 动态结构框图 b）开环对数幅频特性三、计算电流调节器的参数1、ACR超前时间常数: 2、电流环开环增益：在本设计中，要求i5%时，应取，因此：于是，ACR的比例系数为：四、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为： =196.1满足近似条件。2、忽略反电动势对电流环影响的条件为： =59.75满足近似条件。3、小时间常数近似条件处理条件为： =180.8

13、满足近似条件。五、电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式电流调节器原理图如图2-4所示。图中：为电流给定电压 为电流负反馈电压电力电子变换器的控制电压图2-4含给定滤波与反馈滤 波的PI型电流调节器则由运算放大器的电路原理可以得出，当调节器输入电阻时，电流调节器的具体电路参数如下： ，取17，取1，取0.2第二节 转速调节器的设计根据设计要求，转速负反馈采用转速微分负反馈，即在转速反馈电路上加一个带滤波的转速微分环节，在转速变化过程中，转速负反馈和转速微分负反馈两个信号一起与未定信号相抵，将在比普通双闭环系统更早一些的时刻达到平衡，开始退饱和，提前进入了线性闭环系统的工作状态，从而使转速

14、超调量减小。在将电流环简化后，可将电流环视作转速环中的一个环节，在经过忽略高次项降阶处理，并等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后的带转速微分负反馈的转速环结构框图如图2-5所示。图2-5 带转速微分负反馈的转速环动态结构框图图中：为转速环小时间常数之和，为转速微分时间常数一、转速负反馈的设计（1）时间常数的确定：1、电流环等效时间常数：2、转速滤波时间常数 ：3、转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取（2）典型系统的选择： 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在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

15、个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为式中： 转速调节器的比例系数 转速调节器的超前时间常数这样转速调节器的动态结构图便成为图2-6所示的典型形式，其中 图2-6 校正后成为典型型系统的转速环动态结构图（3）调节器参数设计：按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则1、 ASR的超前时间常数为：2、转速环开环增益： 于是，ASR的比例系数: （4）检验近似条件：由转速截止频率：;1、电流环传递函数简化条件： 满足简化条件2、 转速环小时间常数近似条件为：满足近似条件。（5）转速调节器的实现： 含给定滤

16、波和反馈滤波的PI转速调节器原理图如图2-7所示，图中：为转速给定电压 n为转速负反馈电压为调节器的输出是电流调节器的给定电压图2-7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器则由运算放大器的电路原理可以得出，当调节器输入电阻时，电流调节器的具体电路参数如下：，取480，取，取2(6)校核转速超调量当h=5时, ，因此满足设计要求。第三章 系统的仿真 本设计的系统仿真结构框图如图3-1所示，在这个结构框图中包含了滤波环节，包括电流滤波、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常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要选定。滤波环节可以一直反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信

17、号带来了延滞。为了平衡着一延滞作用，在给定信号通道中加一个相同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的延滞，使二者在实践上得到恰当的配合，从而带来射击声的方便，有测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，隐刺也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流换一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数的给定滤波环节 本设计系统仿真的转速电流输出波形如图3-2所示。电动机起动过程与第一章第三节所介绍的大致相同，电流达到后，电机启动，且电流在短时间内达到最大值，进入恒流升速阶段，转速线性增大。在转速达到给定后，由于积分作用使得转速超调，ASR退饱和，主电流下降，

18、由于系统的调节作用，一段时间后转速达到额定并稳定，而电流由于电机空载，稳定后为零。而且转速的超调量也可以由示波器中图形读出，大概为8%。与前面计算结果大致相同。图3-1 系统仿真结构图图3-2-1 双闭环调速系统启动时的电流波形图3-2-2 双闭环调速系统启动时的转速波形总 结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关供配电技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，

19、不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！参考文献1 陈伯时主编，电力拖动自动控制系统，第二版，北京：机械工业出版社，2000.62 华成英，童诗白主编，模拟电子技术基础，第四版，北京：高等教育出版社，2006.53 谢克明主编，自动控制原理，北京：电子工业出版社，2009.14 汤蕴繆，罗应力，梁艳萍编著，电机学，北京：机械工业出版社，2008.5任 务 书（第九组）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：，电枢电路总电阻，电枢电路总电感，电流允许过载倍数，则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取；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；空载启动到额定转速时的转速超调量。