电力拖动自动控制系统课程设计.doc
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《运动控制系统设计》
课程设计报告
设计题目：
转速、电流双闭环直流调速系统设计与实践
班级：
04级自动化一班
学号:
姓名：
指导教师：
设计时间：
2007.11.20—2007.12.14
目录
摘要
第一章概述
第二章设计任务及要求
2.1设计任务：
2.2设计要求：
2.3理论设计
3.1方案论证
3.2系统设计
3.2.1电流调节器设计
3.2.1.1确定时间常数
3.2.1.2选择电流调节器结构
3.2.1.3计算电流调节器参数
3.2.1.4校验近似条件
3.2.1.5计算调节器电阻和电容
3.2.2速度调节器设计
3.2.2.1确定时间常数
3.2.2.2选择转速调节器结构
3.2.2.3计算转速调节器参数
3.2.2.4校验近似条件
3.2.2.5计算调节器电阻和电容
3.2.2.6校核转速超调量
第三章系统建模及仿真实验
4.1MATLAB仿真软件介绍
4.2仿真建模及实验
4.2.1单闭环仿真实验
4.2.2双闭环仿真实验
4.2.3仿真波形分析
第四章实际系统设计及实验
5.1系统组成及工作原理
5.2设备及仪器
5.3实验过程
5.3.1实验内容
5.3.2实验步骤
第五章总结与体会
参考文献
摘要
从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。
双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。
由于其机械特性硬，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。
根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。
关键词：
直流调速双闭环转速调节器电流调节器
第一章概述
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M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。
采用PI调节的单个转速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。
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。
通过系统建模和仿真，用MATLAB/Simulink工具分析设计直流电动机速度控制系统。
第二章设计任务及要求
2.1设计任务
设计一个双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。
直流电动机：
l额定功率29.92KW，额定电压220V，额定电流136A，
l额定转速1460r/m，=0.132Vmin/r，
l允许过载倍数=1.5。
l晶闸管装置放大系数：
=40
l电枢回路总电阻：
R=1
l时间常数：
机电时间常数=0.18s，电磁时间常数=0.03s
l电流反馈系数：
=0.05V/A
l转速反馈系数：
=0.007vmin/r
l转速反馈滤波时间常数：
=0.005s，=0.005s
l总飞轮力矩：
GD=2.5N.m
lh=5
2.2设计要求
（1）调速范围D=10，静差率5%；稳态无静差，电流超调量5%，电流脉动系数10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量10%。
（2）系统具有过流、过压、过载和缺相保护。
（3）触发脉冲有故障封锁能力。
（4）对拖动系统设置给定积分器。
第三章理论设计
3.1方案论证
系统设计理论
按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环）。
在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调
节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。
这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。
双闭环直流调速系统的结构框图:
图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图
U*n
a
Uc
-IdL
n
Ud0
Un
+
-
-
b
+
-
Ui
WASR（s）
WACR（s）
Ks
Tss+1
1/R
Tls+1
R
Tms
U*i
Id
1/Ce
+
E
3.2系统设计
3.2.1电流调节器设计
3.2.1.1确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数。
按书表1-2，三相电路的平均失控时间：
=0.0017s（3-1）
（2）电流滤波时间常数。
=0.005s（3-2）
（3）电流环小时间常数之和。
按小时间常数近似处理，取为：
=+=0.0067s（3-3）
3.2.1.2选择电流调节器结构
根据设计要求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：
=（3-4）
检查对电源电压的抗扰性能：
（3-5）
符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。
3.2.1.3计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
==0.03s。
（3-6）
电流环开环增益：
要求5%是按书表2-2，应取=0.5，因此：
（3-7）
于是，ACR的比例系统为：
（3-8）
3.2.1.4校验近似条件
电流环截至频率：
（3-9）
晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：
（3-10）
忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：
（3-11）
电流环小时间常数近似处理条件为：
（3-12）
3.2.1.5计算调节器电阻和电容
按所用的运算放大器取得。
各电容和电阻值为：
、、（2-13）
Ri=40k（2-14）
按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%<5%,满足课题所给要求。
3.2.2速度调节器设计
3.2.2.1确定时间常数
（1）电流环等效时间常数。
取=0.5，则：
（3-15）
（2）转速滤波时间常数。
根据所用测速发电机波纹情况，取：
=0.005s。
（3-16）
（3）转速环小时间常数。
按小时间常数近似处理，取：
（3-17）
3.2.2.2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：
（3-18）
3.2.2.3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：
（3-19）
并且求得转速环开环增益为：
（3-20）
则可得ASR的比例系数为：
（3-21）
3.2.2.4校验近似条件
转速截止频率为：
（3-22）
电流环传递函数简化条件为：
（3-23）
转速环外环的小时间常数近似处理条件为：
32-24）
3.2.2.5计算调节器电阻和电容
按所用的运算放大器取=40。
各电容和电阻值为：
，（3-25）
（3-26）
3.2.2.6校核转速超调量
当h=5时，由书可以查得：
=37.6%，这并不能满足课题所给要求。
实际上，由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
如下：
（3-27）
满足课题所给要求。
第四章系统建模及仿真实验
4.1MATLAB仿真软件介绍
本设计所采用的仿真软件是MATLAB7.1。
MATLAB7.1是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。
MATLAB7.1提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法，它还集成了2D和3D图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交互式的高级编程语言——M语言，利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。
Simulink是基于MATLAB7.1的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模。
4.2仿真建模及实验
4.2.1单闭环仿真实验
仿真设计采用MATLAB7.1软件进行系统建模。
按照课题所给要求，我们先用单闭环直流调速系统进行仿真设计，运用MATLAB的simulink进行系统建模，单闭环直流调速系统仿真模型如图4.1所示：
图4.1带比例放大器的闭环直流调速系统仿真模型
单闭环直流调速系统转速图4.2和电流仿真波形图4.3所示：
图4.2单闭环直流调速系统转速仿真波形
图4.3单闭环直流调速系统电流仿真波形
由图4.2与图4.3可以看到，转速和电流波形都不太好，都带有较大的震荡，并且带有静差，无法使转速最后维持在1600r/s。
经过反复的调节我们可以都到一组较好的波形图4.4和调节参数表4-1:
表4-1单闭环调速系统参数列表
晶闸管放大系数Ks
机电时间常数
电磁时间常数
转速反馈系数
允许过载倍数
ASR限幅值
30
0.1s
0.01s
0.005vmin/r
1.5
330V
R
0.02s
0.002s
0.113Vmin/r
9.5
0.2s
12
转速和电流仿真波形：
图4.4
经过多次的调节我们可以得到调节相关的参数的调节规律：
当调节时，越小产生的静差也将越大，但波形震荡越小，越大的话产生的静差越小，但波形震荡越大。
限幅值越大波形震荡越发大，限幅值越小波形震荡越发小。
由于比例调节器的输出只取决于输入偏差的现状，而积分调节器的输出包含了输入偏差的全部过程。
因此为了实现无静差调速，我们采用PI调节的单闭环调节系统，单闭环调速系统动态结构图如图3.5所示：
图4.5单闭环调速系统动态结构图
转速单闭环调速系统仿真模型图和波形图分别如图4.6图4.7所示：
图4.6转速单闭环调速系统仿真模型图
图4.7转速单闭环调速系统仿真波形图
由上两图可以得出：
采用PI调节的单个转速闭环调节系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果系统的动态性能要求较高的话，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。
而在单闭环直流调速系统中，电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流以后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击作用，而不能很理想的控制电流的动态波形。
带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统启动电流突破以后，受电流负反馈作用以后，电流只能再升高一点，经过一最大值后，就降低下来，电机的电磁转距也随之减小，因此加速过程必然拖长。
而现在我们所希望是能够实现控制：
起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。
4.2.2双闭环仿真实验
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，如图4.8所示。
图4.8转速、电流双闭环直流调速系统结构
图8中，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。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统
综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图4.9所示：
图4.9双闭环直流调速系统的动态结构图
U*n
a
Uc
-IdL
n
Ud0
Un
+
-
-
b
+
-
Ui
WASR（s）
WACR（s）
Ks
Tss+1
1/R
Tls+1
R
Tms
U*i
Id
1/Ce
+
E
用MATLAB的SUMLINK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如图4.10所示：
图4.10双闭环调速系统仿真模型图
双闭环系统仿真波形及分析：
ASR输出限幅值（4-1）
ACR输出限幅值（4-2）
调节限度器1将ASR输出限幅值的UpperLimit和LowerLimit进行适当的调节。
可得到上升时间最大的波形（=7.7s限幅值=3.8V）和上升时间最小（=0.7s限幅值=14V）的波形。
上升时间最大波形如图4.11所示：
图4.11双闭环调速系统上升时间最大波形图
上升时间最小波形如图4.12所示：
图4.12双闭环调速系统上升时间最小波形图
经过双闭环调速系统上升时间最大波形与双闭环调速系统上升时间最小波形对比可知：
限幅值越大上升时间越小，限幅值越小上升时间越大；同时值越大，超调越小；值越小，超调越大。
在符合设计要求的情况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调节参数，如表4.2和图4.13所示：
表4.2双闭环调速系统调节参数
晶闸管放大系数Ks
机电时间常数
电磁时间常数
电流反馈系数
转速反馈系数
允许过载倍数
30
0.1s
0.01s
3V/A
0.005vmin/r
1.5
R
ASR限幅值
0.02s
0.002s
0.113Vmin/r
9.5
2s
6.1V
ACR
ASR
ACR限幅值
8.7V
0.143
135.1
15.6
159.84
550
0.22
0.01s
图4.13双闭环调速系统波形图
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。
4.2.3仿真波形分析
从图4.12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，同时起调节作用。
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。
第五章实际系统设计及实验
5.1系统组成及工作原理
双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。
实际系统的组成如图4.1所示
图5.1双闭环直流调速系统电路原理图
+
+
-
+
-
M
TG
+
-
+
-
RP2
n
U*n
R0
R0
Uc
Ui
TA
L
Id
Ri
Ci
Ud
+
+
-
R0
R0
Rn
Cn
ASR
ACR
LM
GT
V
RP1
Un
U*i
LM
M
TG
UPE
主电路采用三相桥式全控整流电路供电。
系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压可方便地调节电动机的转速。
速度调节器ASR、电流调节器ACR均设有限幅电路，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅起限制启动电流的作用；ACR的输出作为触发器GT的移相控制电压，利用ACR的输出限幅Ucm起限制电力电子变换器的最大输出电压的作用。
当突加给定电压时，ASR立即达到饱和输出*，使电动机以限定的最大电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速并出现超调，使ASR退出饱和，最后稳定运行在给定转速上。
5.2设备及仪器
DJK01电源控制屏（含“三相电源输出”、“励磁电源”等模块）
DJK02三相变流桥路（含“触发电路”、“正桥功放”、“三相全控整流”模块）
DJK04电机调速控制（含“给定”、“电流调节器”、“速度变换”等模块）
DJK08可调电容
DD03-2电机导轨、测速发电机及转速表（或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表）
DJ14直流他励电机
铭牌参数：
额定功率0.185KW，额定电压220V，额定电流1.2A，
额定转速1600r/m，Ce=0.113Vmin/r，
DK04滑线变阻器（串联形式0.65A/2KΩ；并联形式1.3A/500Ω）
慢扫描示波器
万用表
5.3实验过程
5.3.1实验内容
5.3.2实验步骤
1．单元部件参数整和调试
（1）触发器整定。
（2）调节器调零。
（3）调节器输出限幅整定。
2．电流环调试
（1）电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定。
（2）系统限流性能的检查和电流反馈系数的测定。
（3）电流环动态特性的研究。
3.转速环调试
（1）转速反馈极性及转速反馈系数的测定。
（2）转速环动态特性的研究。
4.系统静特性的测定
（1）调节转速给定电压及发电机负载电阻,使,,
改变发电机负载电阻,即可测出系统静特性曲线。
（2）降低给定电压,分别测出n=1000r/min,n=500r/min时静特性曲线。
单闭环调速系统参数列表如表5.1所示：
表5.1
晶闸管放大系数Ks
机电时间常数
电磁时间常数
转速反馈系数
允许过载倍数
ASR限幅值
35
0.18s
0.003s
0.005vmin/r
1.5
380V
R
0.005s
0.005s
0.113Vmin/r
9
0.2s
15
双闭环调速系统参数列表如表5.2所示：
表5.2
晶闸管放大系数Ks
机电时间常数
电磁时间常数
电流反馈系数
转速反馈系数
允许过载倍数
35
0.18s
0.01s
5V/A
0.005vmin/r
1.5
R
ASR限幅值
0.005s
0.005s
0.113Vmin/r
11
2s
7.2V
ACR
ASR
ACR限幅值
6.8V
0.112
140
18.5
165.25
650
0.5
0.01s
第六章总结与体会
经过这次课程的设计，使我明白了一门课程设计对学好该门课程的重要性。
同时也感觉到自己在实践动手能力方面的缺陷与不足，因此我将会在以后的学习和工作中不断来加强这方面的锻炼。
这次课程设计的时间虽说是短暂
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