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自动控制论文

目录

摘要2

1.直流调速系统的基本概念3

1.1直流调速系统的主要方案3

1.2直流调速系统用的可控直流电源4

2.调速系统总体设计4

2.1闭环调速的工作过程和原理6

3.直流双闭环调速系统电路设计7

3.1晶闸管-电动机主电路的设计7

3.2电流调节器设计8

3.3速度调节器设计10

3.4转速检测电路设计11

4.双闭环直流调速系统起动时的仿真及各部分的作用12

4.1系统运行过程中转速与时间的关系和电流与时间的关系12

5.双闭环系统的稳定性能的分析14

6.校正分析15

7.总结与体会15

8.参考文献16

双闭环直流调速系统设计

摘要：

双闭环直流调速系统机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。

动静态性能好，抗扰性能佳。

速度调节及抗负载和电网扰动，采用双闭环调节具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。

直流调速系统PI调节器，可获得良好的动静态效果。

电流环校正成典型I型系统。

为使系统为了实现转速和电流两种负反，馈分别起作用，可在调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行嵌套联接。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。

直流电动机调速系统具有开环调速系统、单闭环调速系统、双闭环调速系统和多闭环调速系统，双闭环调速系统具有控制容易、能在宽范围内平滑调速和快速响应等特点，在直流调速系统中得到广泛应用。

许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。

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，其性能还不很令人满意。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：

要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

我们希望能实现控制：

1）起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；

2）稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。

关键词：

直流调速双闭环转速调节器电流调节器

1.直流调速系统的基本概念

在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静、动态性能。

由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性。

尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。

当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，大有取代直流调速系统的趋势，由于微机控制的直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。

1.1直流调速系统的主要方案

直流电机的电磁转矩的大小常用下式表示：

（2-1）

式中，

——电动机的电磁转矩，单位为N·m；

Ф——励磁磁通，单位为Wb；

——电枢电流，单位为A；

——由电机结构决定的转矩常数。

以上分析表明，直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和

是互相独立的，可以非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。

由直流电动机的转速特性知道，直流电动机的转速和其他参量的关系可用下式表示：

（2-2）

式中，n——电动机转速，单位为r/min；U——电枢供电电压，单位为v；

——由电机结构决定的电势常数，

=9.55

在式（2-2）中，

为常数，

的大小取决于负载转矩，因此可知，直流电动机的调速方法有三种：

1.调节电枢供电电压U

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法.对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

2.改变电动机主磁通Ф

改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法，

变化时遇到的时间常数同

变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

3.改变电枢回路电阻R

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。

但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。

弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。

1.2直流调速系统用的可控直流电源

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

1.旋转变流机组。

用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

2.静止可控整流器。

用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

3.直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

2.调速系统总体设计

双闭环直流调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。

转速调节器ASR的输出限幅电压

决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压

限制了电力电子变换器的最大输出电压

。

由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

如图１所示

图1系统结构图

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

这样构成的双闭环直流调速系统。

其原理图如图2所示：

图2双闭环直流调速系统原理图

双直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响

2.1闭环调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理:

电动机在启动阶段,电动机的实际转速（电压）低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。

在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。

另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。

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，需加低通滤波。

这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数

按需要选定，以滤平电流检测信号为准。

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，滤波时间常数用

表示，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

的给定滤波环节。

系统设计的一般原则是：

先内环后外环。

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。

3.直流双闭环调速系统电路设计

3.1晶闸管-电动机主电路的设计

晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-2所示：

图3-1V-M系统主电路原理图

图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图2-3所示：

图3-2三相全控桥式整流电路

通过调节触发装置GT的控制电压

来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压

，从而实现平滑调速。

该三相全控桥式整流电路中变压器的二次侧串一电阻是保护元器件，使能量得以释放，以保证晶闸管装置的可靠工作。

3.2电流调节器设计

如图3-3

图3-3电流调节器

3.21确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数

。

三相电路的平均失控时间：

=0.0017s

（2）电流滤波时间常数

。

=0.00335s

（3）电流环最小时间常数之和

。

按小时间常数近似处理，取为：

=

+

=0.00505s

选择电流调节器结构

假设要求

5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为：

=

检查对电源电压的抗扰性能：

电磁时间常数TL=0.0216s

符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都可以接受。

计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

=

=0.0216s。

电流环开环增益：

要求

5%，应取

=0.5，因此：

于是，ACR的比例系统为：

计算调节器电阻和电容

取运算放大器的

=20

，有

=3.37

20=67

，取3

，

，取0.2

。

故

=

=19

3．3速度调节器设计

如图3-5

图3-4速度调节器

3.3.1确定时间常数

（1）电流环等效时间常数2TΣi=0.0101s

（2）转速滤波时间常数

=0.00335s

（3）转速环小时间常数

。

按小时间常数近似处理，取：

选择转速调节器结构

按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：

计算转速调节器参数

按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为：

τn=hTΣn＝0.673s

并且求得转速环开环增益为：

则可得ASR的比例系数为：

3.3.2计算调节器电阻和电容

取

=20

，则

，取1550

。

，取0.04

故

=1224

3.4转速检测电路设计

转速的检测可把

接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-55所示：

图3-5转速检测电路

3.3.1电流检测电路设计

使用霍尔电流传感器可以检测电流，把

接到霍尔传感器上。

霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。

输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。

如图2-6所示：

图3-6电流检测电路

4.双闭环直流调速系统起动时的仿真及各部分的作用

4.1系统运行过程中转速与时间的关系和电流与时间的关系

如图4-1

由此可得：

双闭环调速系统采用PI调节规律，它不同于P调节器的输出量总是正比与其输入量，PI调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来决定的。

4.1.1仿真波形分析

从图4的波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：

第Ⅰ阶段：

电流上升阶段。

突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。

由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。

在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.

第Ⅱ阶段：

是恒流升速阶段。

从电流升到最大值开始，到转速升到给定值 n*为止，这是起动过程中的重要阶段。

在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。

因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

第Ⅲ阶段：

转速调节阶段。

在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。

转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。

但在一段时间内，转速仍继续上升。

达到最大值后，转速达到峰值。

此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。

在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时其调节作用。

根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用归纳为：

1）.转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2）.电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程

（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

5.双闭环系统的稳定性能的分析

一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。

主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。

1．抗负载扰动

由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。

在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。

2．抗电网电压扰动

电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。

在图双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。

因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会很小，从而使系统有较高的稳定性。

6.校正分析

该双闭环直流调速系统中的校正是反馈校正，通过反馈电动机的转速和电流值再经过转速调节器和电流调节器来对电动机的性能校正。

其中转速调节器和电流调节器都是用比例-积分校正。

7.总结与体会

我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识通过设计我也明白一点，我们上课所学到的知识在做本设计时是远远的不够的，只是设计的一点皮毛而已。

自动控制学科是近几十年来了发展起来的一门很重要的学科。

它的发展很迅速，特别是计算机的快速发展，更加快了它的发展，尤其是工业自动化技术近年来的发展。

自动化学科研究的范围也是很广泛的，对实现我国工业、农业、国防和科学技术现代化、对迅速提升我国综合国力具有重要和积极作用。

　　自动控制（automaticcontrol）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。

　　自动控制是相对人工控制概念而言的。

指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。

自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。

自动控制是工程科学的一个分支。

它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。

从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。

平常我们应该扩大自己得知识面。

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。

我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。

这次课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。

8.参考文献

[1]自动控制原理，［M］王建辉、顾树生主编，北京：

清华大学出版社,2007

[2]电力拖动自动控制系统，陈伯时.机械工业出版社，2002

[4]控制系统的设计与实践.章燕申,袁曾任.清华大学出版社,1992

[3]电气传动与调速系统，廖晓钟..中国电力出版,1998