kl800.com省心范文网

双闭环直流调速系统课程设计 (1)xk






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
系统电路原理图

第一节

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。 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 U ct 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 U im ,

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 U ctm ,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
* U n = U n = α n = α n0

U i* = U i = β I d = β I dL
式中 α 为转速反馈系数,β 为电流反馈系数 由第一个关系式可得

n=

* Un

α

= n0

* 从而得到图 1-3 静特性的 C-A 段。与此同时,由于 ASR 不饱和 U i* < U im ,

从上述第二个关系式可知: I d < I dm 。这就是说,C-A 段静特性从理想空 载状态的 I d = 0 一直延续到 I d = I dm , I dm 一般都是大于额定电流 I dm 的。 而 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 U im ,转速外环呈开环状态,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

Id =

* U im

β

= I dm

式中,最大电流 I dm 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 n < n0 情况,因为如果 n ≥ n0 ,则
* U n ≥ U n ,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
* U n = U n = α n = α n0

U i* = U i = β I d = β I dL
图 1-3 双闭环调速系统的静特性

Uc =

* U d0 Ce n + I d R CeU n / α + I dL R = = Ks Ks Ks

* 上述关系表明,在稳态工作点上,转速 n 是由给定电压 U n 决定的,

ASR 的输出量 U i* 是由负载电流 I dL 决定的,控制电压 U ct 的大小则同时取
* 决于 n 和 I d ,或者说,同时取决于 U n 和 I dL 。这些关系反映了 PI 调节器

不同于 P 调节器的特点。比例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 α =
* U nm nmax

* U im 电流反馈系数 β = I dm * * 两个给定电压的最大值 U nm 和 U im 由设计者选定,设计原则如下: * U nm 受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制 * U im 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 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 U n 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、Ⅲ 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 0 ~ t1 电流上升的阶段。突加给定电压 U nm 后,通过两个调

机器的控制作用,使 U ct 、U d 0 、I d 都上升,当 I d ≥ I dL 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 U im ,强迫电流 I d 迅速上升。
* 当 I d ≈ I dm 时, U i ≈ U im ,电流调节器的作用使 I d 不再迅猛增长,标志着

这一阶段的结束。在这一阶段中,ASR 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Ⅱ阶段 t1 ~ t2 是恒流升速阶段。 在这个阶段中, 始终是饱和的, ASR
* 转速环相当于开环, 系统成为在恒值电流 U im 给定下的电流调节系统, 基

本上保持电流 I d 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, U d 0 和 U ct 也必须基本上按线 性增长,才能保持 I d 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, I d 应略低于
I dm 。

第Ⅲ阶段 t2 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在限幅
* 值 U im ,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,U i* 和 I d 很快下降。但是,只要 I d 仍大 于负载电流,转速就继续上升。直到 I d = I dL 时,转矩 Te = TL ,则
dn = 0, dt

。此后,电动机开始在负载的阻力下减速, 转速 n 才到达峰值( t = t3 时) 与此相应,电流 I d 也出现一段小于 I dL 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 I d 尽 快地跟随其给定值 U i* ,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 Toi 为电流反馈滤波时间常数
T on 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: T∑ i 为电流环小时间常数之和, T∑ i = Ts + Toi 。 一、时间参数的确定 1、电动机的电动势系数:

Ce =

U N ? I d Ra 220 ? 55 × 0.5 = = 0.1925V min/ r nN 1000

2、电机额定励磁下的转矩系数:
Cm = 30

π

Ce =

30

π

× 0.1925 = 1.8382 Nm / A

3、电枢回路电磁时间常数:

Tl =

L 16.73mH = = 0.01673s R 1?

4、电力拖动系统机电时间常数: GD 2 R 20 ×1 Tm = = = 0.1507 s 375Ce Cm 375 × 0.1925 × 1.8382 5、整流滤波时间常数:三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s 6、电流滤波时间常数:三相桥式电路每个波头的时间是 0.0033s, 为了基本虑平波头,应有(1~2) Toi = 0.0033s ,因此取 Toi = 2ms = 0.002 s 7、电流环小时间常数之和:按小时间常数近似处理,取 T∑i=Ts+Toi=0.0037s。

二、典型系统的选择: 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

WACR ( s ) =

K i (τ i s + 1) τ is

式中: K i — 电流调节器的比例系数

τ i — 电流调节器的超前时间常数
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

τ i = Tl ,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
KI = Ki Ks β τiR

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: τ i = Tl = 0.01673s 2、电流环开环增益:在本设计中,要求σi≤5%时,应取 K I T∑i = 0.5 , 因此:

KI =

0.5 0.5 = = 135.1s ?1 T∑ i 0.0037s

于是,ACR 的比例系数为:

Ki =
四、校验近似条件

K Iτ i R 135.1× 0.01673 ×1 = = 0.4245 Ks β 44 × 0.121

电流环截止频率 ω ci = K I = 135 .1s ?1 1、晶闸管装置传递函数近似条件为:

wci ≤
满足近似条件。

1 =196.1 s ?1 3Ts

2、忽略反电动势对电流环影响的条件为:

wci ≥ 3
满足近似条件。

1 =59.75 s ?1 TmTl

3、小时间常数近似条件处理条件为:

wci ≤

1 1 =180.8 s ?1 3 TsToi

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: U i* 为电流给定电压 I d 为电流负反馈电压 U c 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 Ro = 40 K? 时,电流调节器的具体电路参数如下: Ri = K i R0 = 0.4245 × 40 = 16.98k ? ,取 17 k?
Ci =

τi
Ri

=

0.01673 = 0.984 × 10 ?6 F = 0.984 ? F ,取 1 ?F 17 × 103

Coi =

4Toi 4 × 0.002 = = 0.2 × 10?6 F = 0.2 ? F ,取 0.2 ?F 3 R0 40 × 10

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 U n 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: T∑ n 为转速环小时间常数之和, T∑ n =

1 + Ton KI

τ dn 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:

1 = 2T∑ i = 2 × 0.0037 s = 0.0074 s KI

2、转速滤波时间常数 : Ton = 0.01s 3、转速环小时间常数:按小时间常数近似处理,取 T∑ n = 1 + Ton = 0.0074 s + 0.01S = 0.0174 s KI

(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个积分环节,所以应该设 计成典型Ⅱ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 WASR ( s ) = K n (τ n s + 1) τns

式中: K n — 转速调节器的比例系数

τ n — 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 KN = K nαR τ n βCeTm

图 2-6

校正后成为典型Ⅱ型系统的转速环动态结构图

(3)调节器参数设计: )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:

τ n = hT∑ n = 5 × 0.0174s = 0.087 s
2、转速环开环增益:

KN =
于是,ASR 的比例系数:

h +1 6 = = 396.4s ?2 2 2 2h T∑ n 2 × 25 × 0.01742

Kn =

(h + 1) β CeTm 6 × 0.121× 0.1925 × 0.1507 = = 12.1 2hα RT∑ n 10 × 0.01× 1× 0.0174

(4)检验近似条件: )检验近似条件: 由转速截止频率:

ωcn =

KN

ω1

= K Nτ n = 396.4 × 0.087 = 34.5s ?1 ;

1、电流环传递函数简化条件:

1 1 1 1 = × s ?1 = 54.1 > ω cn 5 T∑ i 5 0.0037
满足简化条件

2、转速环小时间常数近似条件为: 1 1 1 1 = = 38.75s ?1 > ω cn 3 2T∑ iTon 3 2 × 0.0037 × 0.01 满足近似条件。 节器的实现: (5)转速调节器的实现: )转速调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的 PI 转速调节器原理图如图 2-7 所示,
* 图中: U n 为转速给定电压

n 为转速负反馈电压
U i* 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
Ro = 40 K? 时,电流调节器的具体电路参数如下: Rn = K n R0 = 12.1× 40 = 484k ? ,取 480 k?
Cn =

τn
Rn

=

0.087 = 0.181× 10?6 F = 0.181? F ,取 0.2 ? F 480 × 103

Con =

4Ton 4 × 0.01 = = 1× 10?6 F = 1? F ,取 2 ?F 3 40 × 10 R0

(6)校核转速超调量

σn% = (

T ?Cmax ?n %) ? 2(λ ? z ) nom ? ∑ n ? Cb n Tm

?C max % = 81.2%, 当 h=5 时, C b
?nnom =
I dnom R 55 × 1 = = 285.71 r min 0.1925 Ce ,

因此

σ n = 81.2% × 2 × 1.5 ×

285.71 0.0174 × = 8.04% < 10% 1000 0.1507

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 Toi 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 Ton 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 Ton 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 I dL 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, 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

σ i % = (82.5 ? 78.8) / 78.8 × 100% = 4.7% < 5%, 符合要求。

图 3-2-2

双闭环调速系统启动时的转速波形

σ n % = 1084.2 - 1000)1000 × 100% = 8.42% < 10%, 满足要求。 ( /





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,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,2000.6 2 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,2006.5 3 4 谢克明主编,自动控制原理,北京:电子工业出版社,2009.1 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: U N = 220V , I N = 55 A, nN = 1000r / min, Ra = 0.5? ,电枢电路 总电阻 R = 1.0? ,电枢电路总电感 L = 16.73mH ,电流允许过载倍数

λ = 1.5 ,则算到电动机轴的飞轮惯量 GD 2 = 20Nm 2 。
晶闸管整流装置放大倍数 K s = 44 ,滞后时间常数 Ts = 0.0017 s 电流反馈系数 β = 0.121V / A(≈ 10V / 1.5 I N ) 电压反馈系数 α = 0.01V min/ r (≈ 10V / nN ) 滤波时间常数取 Toi = 0.002 s, Ton = 0.01s
* * U nm = U im = U cm = 10V ;调节器输入电阻 R0 = 40k?

设计要求: 稳态指标:无静差; 动态指标:电流超调量 σ i ≤ 5% ;空载启动到额定转速时的转速超调量

σ n ≤ 10% 。


赞助商链接

双闭环直流调速系统课程设计_图文

双闭环直流调速系统课程设计_工学_高等教育_教育专区。双闭环直流调速系统的设计及matlab仿真 课程设计说明书 NO.1 引言 直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于...

双闭环直流调速系统课程设计方案

-2- 图3 双闭环直流调速系统的动态结构框图 3 ,课程设计指标 课程设计任务与要求 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 如下: ...

双闭环直流调速系统的课程设计

自动控制原理课程设计——双闭环直流调速系统课程设计 班级 姓名 学号 电气自动化二班 程传伦 110101225 张琦 指导教师 2013 年 6 月 10 日 1 目录摘要 第1章...

双闭环直流调速系统课程设计

双闭环直流调速系统课程设计 隐藏>> 设 计 任 务 书 某晶闸管供电的双闭环直流...这就是静特性的运行段,图 1-3 双闭环直流调速系统的静特性 它是水平的特性...

双闭环直流调速系统 (1)

双闭环直流调速系统 课程设计姓 专班学指导名: 业: 级: 号: 老师: 曹靖 自动化 1130202 201130020238 钱敏老师 直流双闭环调速系统设计 1 设计任务说明书某...

运动控制课程设计-双闭环直流调速[1]

运动控制课程设计-双闭环直流调速[1] 运动控制运动控制隐藏>> 课程设计用纸 教师批阅: 摘要 从直流电动机的工作原理入手,建立双闭环直流调速系统 的数学模型,并详细...

双闭环直流调速系统课程设计

19 1 设计概述双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备,具有调速范围宽、 平稳性好、稳速精度高等优点。在理论和实践方面都是比较成熟的系统,在电力 ...

双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB仿真)

I 任务书 1.设计题目转速、电流双闭环直流调速系统设计 2.设计任务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:Un=440...

双闭环直流调速系统课程设计方案

关键字:直流调速 电机 双闭环 II 双闭环直流调速系统课程设计 1 绪论 直流调速系统, 特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电 气传动装置之。 ...

双闭环直流调速系统的课程设计报告

双闭环直流调速系统课程设计报告_工学_高等教育_教育专区。电力电子与电力拖动...为缩短这一部分时间,仅采用 PI 调节器的转速负反馈单闭环调速系统,其 性能还...