自动控制论文单闭环不可逆直流调速系统设计.docx

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自动控制论文单闭环不可逆直流调速系统设计

徐州师范大学试卷（2010-2011学年度1学期）

课程名称：

自动控制原理

试卷类型：

（开卷）

学院电气工程及自动化学院

专业电气工程及其自动化学院

班级

学号

姓名

单闭环不可逆直流调速系统设计

郝建军

（徐州师范大学　电气学院　电气工程及其自动化专业，江苏徐州221116）

目　录

1　中文摘要-2-

2　英文摘要-2-

3　电力拖动简介-3-

4　设置参数-3-

5　方案确定-3-

5.1　方案的采用-3-

5.1.1　调节电枢电压调速-3-

5.1.2　主电路的采用-3-

5.1.3　控制电路方案的采用-4-

6　主电路设计-4-

7　控制电路设计-5-

7.1稳态性能分析（流程图）-6-

7.2稳定性分析-6-

7.3闭环系统应有的开环放大系数-7-

7.4系统动态过程-8-

7.5校正环节-9-

8　结束语-9-

9　参考文献-9-

1.摘要

内容摘要：

在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。

然后用此理论去设计一个实际的调速系统。

关键词：

稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差

2.Thedesignandsimulationof

Singleloopdcspeedcontrolsystem

Abstract:

Inthehigherdemandforperformanceofspeed,iftheopenloopdcsystem'ssteadyperformancedoesnotmeettherequirements,canusespeedinversefeedbacktoimprovesteadystateprecision,butalthoughthespeedinversefeedbacksystemadoptsproportionregulator,itstillhaveoff,inordertoeliminatestatic,canuseintegralregulatortoreplaceproportionregulator.

Basedonthetheoreticalanalysisofthesingleclosedloopsystemwhichismadeupofcontrollablepower,theregulatorwhichismadeupofoperationalamplifier,arectifiertriggeredbythyristor,motormodelandtachogeneratorsmodule,comparethedifferenceoftheopenloopsystemandtheclosedloopsystem,theoriginalsystemandthethispapercomparesthetheoryofopenloopsystemandtheclosed-loopsystem,thedifferenceofprimitivesystemandcalibratedsystem,concludetheoptimalmodelofthedcmotorspeedcontrolsystem.Thenusethistheorytodesignapracticalcontrolsystem.

Keywords:

steady-statebehaviourstabilityopenloopClose-loopfeedbackoffset

3.电力拖动简介

电力拖动是利用电动机拖动生产机械的工作机构使之运转的一种方法。

由于各种生产机械的工作性质和加工工艺不同，对电动机的控制要求也不同。

要使电动机按照生产机械的要求正常、安全、高效、节能地运转，必须配备由一定的电器组成的控制线路。

4.设置参数【自设】

电动机参数：

PN=3KW,nN=1000rpm,UN=220V,IN=17A,Ra=1.5Ω。

主回路总电阻R=3Ω，电磁时间常数Tl=0.020s,机电时间常数Tm=0.080s。

三相桥式整流电路，Ks=45。

测速反馈系数a=0.07。

调速指标：

D=10，S=5%。

5.方案论述

5.1　方案的采用

5.1.1调节电枢电压调速

电机降压起动是为了避免高启动转矩和启动电流峰值,减小电动机启动过程的加速转矩和冲击电流对工作机械、供电系统的影响。

特点：

在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，将电视两端的电压，即电源电压降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。

只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变。

所以得到的调速范围可以达到很高，而且能实现可逆运行。

但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。

又由于电力电子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，可分为如下两种：

1）使用晶闸管可控整流装置的调速系统；

2）使用脉宽调制的晶体管功率放大器调速系统。

故系统采用调节电枢电压的调速方法。

这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。

鉴于以上对各种调速可行性方案的论述本，本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。

5.1.2　主电路方案的采用

主电路主要是指电源装置和执行装置（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。

直流电动机的调速方法有两种，具体为：

1）使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器，即采用PWM的调压调速控制；2）使用晶闸管可控整流装置调速。

考虑到第二种的优点，可调电源电路采用后者，使用晶闸管可控整流装置调压调速。

晶闸管可控整流装置调速

通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。

电路如下：

：

图晶闸管可控整流装置电路

电路特点：

电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。

其次，整流装置时SRC，容量相对IGBT而言，比较大，电动机的容量就可以做的相对较大，可靠性也比较高，技术成熟等优点。

设计的对象电机的容量是3KW，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来相对简单。

不过由于也存在正反两组的问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。

5.1.3　控制电路方案的采用

采用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法；

方案论证：

采用才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。

但是此方法又有其缺点，在启动过程总系统是非线性的，而且是一个复杂的动态过程，不能简单地将最大负荷时的电流值定为电流截止负反馈的限制值，这将影响电动机的启动时间，而且难以把握电流的动态过程。

由于直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，这样大的电流会烧坏晶闸管元件和电机，因而要加以限制。

根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入哪个物理量的负反馈。

系统中若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但是单闭环调速系统中如果存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度，而这又是我们希望避免的。

如果能做到电流负反馈在正常运行时不起作用，而在过电流情况下起电流负反馈作用。

为此，可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值时才起作用，这就是电流截止负反馈环节。

电流截止负反馈单闭环调速系统

6.主电路设计

电动机参数：

PN=3KW,nN=1000rpm,UN=220V,IN=17A,Ra=1.5Ω。

主回路总电阻R=3Ω，电磁时间常数Tl=0.020s,机电时间常数Tm=0.080s。

三相桥式整流电路，Ks=45。

测速反馈系数a=0.07。

调速指标：

D=10，S=5%。

变压器的副边电压的确定：

因为UN=220V，整定的范围在30°～150°之间，所以由三相全控整流公式：

UD=2.34U2cosα,当α在30°时又最大值，算出U2=108.5V，所以可以选择U2=120V。

晶闸管参数的计算：

由于电动机电流的大小为17A，即最大电流为：

Imax=17A.

又由整流输出的电压Ud=UN=220V，进线的线电压是120V。

由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。

即有

晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即

考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍的关系，电流裕量选为1.5倍的关系，所以工作的晶闸管的额定电压容量的参数可选择为：

电枢回路的平波电抗器的计算：

电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5%～10%。

则电枢需要串入的电枢电抗大小可以算为：

（其中La为电枢的固有电抗值）

7.控制电路设计

控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。

但在闭环式必选设置放大器。

如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：

抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。

采用PI调节器的负反馈无静差调速系统原理图

调节器的输出限幅值的确定：

转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定电流给定电压的最大值，其输出决定了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

对于本系统：

设转速达到额定时的给定电压为+7.5V，转速调节器的输出最大限幅值为±5V，Ks=40。

比例积分调节器控制流程图

7.1稳态性能分析

为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为

稳态速差为

因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。

7.2稳定性分析

当PI调节器构成无静差系统在突加负载时的动态过程图如下

无静差转速负反馈扰动过程【A】

设Id1为相应于负载转矩M1时的电枢电流，电机稳定时转速为n1，可控硅整流平均电压为Ud1。

当负载转矩由M1突增至M2时，由于电枢电流不能瞬间增加，电机电磁转矩将小于负载转矩，电动机转速下降，负载电压Ufn也要下降，就在PI调节器的输入端出现了偏差U=Ug-Uf。

它的输出端有两个分量，其中比例输出分量的数值与U成正比，等于KpU，使可控硅整流输出增加△Ud1，如图【A】中曲线。

转速偏差越大，△Ud1越大。

该电压使电机增大转矩，阻止转速的下降。

当转速回升后，它的作用减少至零。

曲线1的形状与转速变化过程n（t）相似。

调节器的积分分量是U的积分。

开始时为零，随着时间的增加而增大。

它使可控硅输出电压增加如图【A】中曲线2所示。

可见它的作用随U主要表现在调解过程的后半段。

鞥到转速回升后，虽然U消失了，△Ud2不再增加了，但调解器保持着最后的积分数值不变。

比例与积分总和效果如图【A】中曲线3所示。

由此可以看出，扰动调节过程的开始段，比例分量起主导作用，它首先阻止转速进一步下降，使转速回升。

中间阶段，两个分量同时其作用，到了调节过程末端，转速偏差已经很小了，比例分量几乎不起作用，而积分分量上伸到主要地位。

最后积分调节的作用一定要把负载增大引起的转速将完全抵消。

抗扰性能的好坏，主要看动态速降最大值的大小，回复时间Ts的长短和最终静差为零。

所以用PI调节器控制的调速系统，不论对突加给定，还是抑制负载扰动，都能达到较好的动、静态特性，是目前用的比较普遍的一种方法。

7.3闭环系统应有的开环放大系数

先计算电动机的电动势系数

则开环系统额定速降为

闭环系统的开环放大系数应为

7.4系统动态过程

计算转速反馈环节的反馈系数和参数

根据调速指标要求，前已求出闭环系统的开环放大系数应为K≥48.285则运算放大器的放大系数Kp应为

实取Kp=3。

运算放大器的参数选取为：

根据所用运算放大器的型号取R0=20KΩ，则R1=KpR0=3×20=60KΩ。

系统动态结构框图

为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要Ⅱ型系统。

从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能。

所以，转速环应该按典型Ⅱ系统进行设计。

由图可以明显地看出，要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

式中Kn——转速调节器的比例系数；

tn——转速调节器的超前时间常数；

比例积分（PI）调节器

这样，调速系统的开环传递函数为

令τn=hT∑n，h=5，τn=hT∑n=5×0.331=1.655s

则转速调节器的传递函数为

7.5校正环节

闭环调速系统用PI调节器串联校正，PI校正牺牲了系统的快速性，而系统的稳态精度变好。

8.结束语

经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。

虽然本设计借鉴太多其他文本，但它却也是了我的诸多努力的表现。

设计不太完善，有待改进，万望指点。

单闭环不可逆直流调速系统较好地运行是从零开始加给定电压，速度从零开始上升，系统能够正常地启动，使速度升至给定的速度值。

如果从零开始升速启动的过程中出现了过流报警现象，而此时的转速并不高，负荷也不是很大的时候，这时虽然各个单元都已经调试好，但并不等于整个系统参数就已经很好，因为系统的各个单元模块之间有一定的耦合关系，系统所能表现出来的性能和各个单元模块之间都有很大的关系，它们的参数会互相牵制，一旦某个参数整定得不合理就有可能使得系统的性能大大降低，所以在此显得了系统调试的必要性和相关性。

速度环的PI参数，稍微偏那么一点，系统表现出来的现象会很不相同，所以PI参数的整定显得尤为重要，速度也可以调到额定转速运行。

9.参考文献

王建辉、顾树生，《自动控制原理》【M】，清华大学出版社

熊新民，《自动控制原理与系统》【M】，电子工业大学出版社

韩全力、方维奇、冯凯，《自动控制原理与应用》【M】，西安电子大学出版社

陈伯时，《电力拖动自动控制系统》【M】，机械工业出版社

王兆安、黄俊，《电力电子技术》【M】，机械工业出版社

罗飞，《运动控制系统》【M】，化学工业出版社

方晓钟，《电力电子技术与电气传动》【M】，机械工业出版社

杨兴瑶《电气传动及应用》【M】，化学工业出版社

易继锴，《电气传动自动控制原理与设计》【M】，北京工业大学出版社