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1、学 号： 课 程 设 计题 目直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三）学 院自动化学院专 业自动化专业班 级1005班姓 名指导教师刘芙蓉2014年01月10日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1005班 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三） 初始条件：双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。系统基本数据如下：直流电动机： Unom=220V ，Inom=136A ，nnom=1460r/min ，允许过载倍数，额定转速时的给定电压调节器，饱和输出电压。时间常数：TL=0.03s，Tm=0.18s，晶闸管装置放大倍
2、数：KS=40，电枢回路总电阻：R=0.5。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间。画出系统结构框图并计算：(1) 电流反馈系数和转速反馈系数；(2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取）；(3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取）；(4) 让电机带载（带一半额定负载）启动到额定转速，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。时间安排：2013.12.25布置课程设计题目 2013.12.26 - 2013.12.29 完成
3、课程设计 2013.1230 2014.1.3 撰写课程设计报告 2014.1.6 答辩并上交报告指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘 要1直流双闭环控制系统的设计21直流双环系统工作原理21.1直流双环系统的组成框图21.2直流双环系统的数学模型31.2.1直流双环系统的稳态（静态）数学模型31.2.2直流双环系统的动态数学模型31.3直流双环系统的动态过程描述42调节器的工程设计方法概述63直流双环系统的动态设计与校验63.1直流双环系统电流环设计63.1.1电流环调节器结构选择63.1.2电流环调节器参数计算73.1.3电流环设计校验近似条件73.1.4
4、计算电流调节器电阻和电容83.2直流双环系统转速环设计93.2.1转速环调节器结构选择93.2.2转速环调节器参数计算93.2.3转速环设计校验近似条件103.2.4计算转速调节器电阻和电容104直流双环系统MATLAB/SIMULINK仿真124.1直流双环系统电流环仿真124.2直流双环系统总体仿真135心得体会16参考文献17摘 要运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象、以控制器为核心、以电力电子功率变换装置为执行机构、在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。按照控制对象的不同可分为直流调速系统和交流调速系统，直流调速系统以直流电动机为控制对象；交流调速系统以交流异
5、步电动机和交流同步电机为控制对象。在实际的应用过程中按照不同的需求选用不同类型的电动机和不同的控制方法构成各种不同的运动控制系统。直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。这些特点使得直流电动机的控制相对容易，经过长时间的发展已经形成了各种成熟的控制方法。本文讨论了直流电动机的双闭环控制系统的设计与分析，主要介绍了双环系统的组成，然后按照题目要求运用工程设计方法对双环系统的各个参数进行整定，并运用MATLAB/Simulink对控制系统进行建模仿真，验证控制系统的工作性能是否满足设计要求。关键词：直流电动机；双环系统；MA
6、TLAB/Simulink直流双闭环控制系统的设计1直流双环系统工作原理直流双闭环系统是从转速单闭环系统发展而来，由于双环系统有电流、转速两个反馈，构成两个闭合回路，“双闭环”由此而得名，工程上“双闭环控制系统”又称为“串级控制系统”。传统的采用转速负反馈和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。人们通过分析发现通过控制电枢电流进而控制电磁转矩是获得高调速性能的根本，通过增加对电枢电流的控制不仅可以获得良好的起制动性能，而且可以有效的防止电机在过载和堵转时
7、的过电流从而保护电机。基于上述的思路人们在系统中设置了两个调节器，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，实现了转速和电流两种负反馈分别起作用，起动过程主要控制电流，系统中只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，主要控制转速，只有转速负反馈，没有电流负反馈。这样电流环、转速协调控制很好的满足了实际的控制需求。1.1直流双环系统的组成框图如前所述双环系统有两个环从而需要两个调节器，分别为内环调节器ACR（转速调节器）、外环调节器ASR（转速调节器），ASR的输出为ACR的给定，由此构成内外双环结构，直流双环系统的组成框图如图1.1所示。图1-1 直流双闭环系统的组成框图1.2直流双
8、环系统的数学模型为了便于对调速系统分析，并利于后面运用工程方法设计控制器需要对控制系统进行建模，得到其数学模型，模型分两种一种是稳态数学模型，另外一种是动态数学模型，分别用于分析系统的稳态性能如静差率、调速范围、稳态误差等及系统的动态性能如上升时间、超调量、最大动态偏差、调节时间等。1.2.1直流双环系统的稳态（静态）数学模型将双环系统的各个环节稳态时的输入与输出的关系写出来，然后首尾相连即可得到图1-2所示的数学模型。图1-2直流双环系统的稳态（静态）数学模型上图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器。为电力电子功率变换装置的放大倍数，R是电枢回路总电阻包括电力电子变换器内阻、电枢电阻及可
9、能在主电路中接入的其他电阻，为电动机在额定励磁下的电动势系数，为转速反馈系数，为电流反馈系数。当ASR与ACR采用PI调节器时可以做到转速无静差。1.2.2直流双环系统的动态数学模型考虑双环系统各个环节的动态输入输出关系，然后首尾相接可以得到系统的动态数学如图1-3所示。图1-3直流双环系统的动态数学模型其中是电力电子功率变换转换装置的时间常数，不同的变换装置其不同；是电枢回路的电磁时间常数；是电力拖动系统的机电时间常数。1.3直流双环系统的动态过程描述此处主要针对起动过程做如下分析：双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图1-4中。图1-4直流双环系统的转速
10、电流动态过程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。 其中第I阶段为电流上升阶段，第II阶段为恒流升速阶段，第III阶段为转速调节阶段，具体分析过程在任何一本运动控制教材中均有详细描述，此处不再赘述。从对起动过程的分析可以总结出ASR与ACR的作用如下：（1）ASR作用：转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用PI调节器，则可实现无静差；对负载变化起抗扰作用其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。（2）ACR作用：在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输
11、出量）变化；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流；当电动机过载甚至堵转时，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。2调节器的工程设计方法概述通过事先对由经典控制规律与典型环节组成的典型系统做深入的研究，把他们的开环对数频率特性当作预期特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表来进行参数计算，以简化设计过程。工程设计方法的实施步骤：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；第二步，再选择调节器参数，以满足动态性能指标的要求。3直流双环系统的动态设计与校验双环
12、系统的实际动态结构图如图3-1所示。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、转速滤波和给定滤波环节。设置滤波环节的必要性是由于反馈检测信号中常含谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动对系统的影响，需加低通滤波，滤波环节可用一阶惯性环节描述，另外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，相应的给定信号通道也应增加相同的滤波环节。在设计时按照“先内环后外环”的原则来设计系统。图3-1双环系统的实际动态结构图3.1直流双环系统电流环设计3.1.1电流环调节器结构选择 在设计电流调节器时，首先应该考虑把电流环校正成哪一类系统，从稳态要求上看希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，
13、采用一型系统就可以了，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超调，以保证在动态过程中不超过允许值，以跟随性能为主，所以选一型系统，因此调节器应选PI调节器。PI调节器的传递函数为：其中为电流调节器的比例系数，为电流调节器的超前时间常数，均为待定参数。3.1.2电流环调节器参数计算（1）确定时间常数：1）功率变换装置时间常数（即功率变换装置的失控时间）：对于三相桥式全控整流电路可取。2）电流滤波时间常数：对于三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头应有，因此取。3）电流环小惯性群合并后时间常数：。4）电枢回路的电磁时间常数：已由题目给出。（2）电流反馈系数：
14、。（3）计算电流调节器参数：由于要将电流环校正为典I系统，因此电流调节器的传递函数应将电流环的大惯性环节消掉，由于，因此电流调节器的传递函数应把大惯性环节中的消掉，因此。由于题目要求电流环的超调量，根据“典I系统动态跟随性能指标和频域指标与参数选择表”，应取，。因此。3.1.3电流环设计校验近似条件电流环截止频率：。（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件（2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 满足近似条件（3）校验电流环小惯性群合并近似处理条件： 满足近似条件3.1.4计算电流调节器电阻和电容电流调节器原理图如图3-2所示。图3-2含给定滤波与反馈滤波的PI型电
15、流调节器 题目要求所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取 取 取按上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 满足设计要求电流调节器ACR的传递函数为3.2直流双环系统转速环设计3.2.1转速环调节器结构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 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。因此调节器应选PI调节器。PI调节器的传递函数为：其中为转速调节器的比例系数，为转速调节器的超前时间常数，均为待定参数。3.2.2
16、转速环调节器参数计算（1）确定时间常数：1）电流环等效时间常数：。2）转速滤波时间常数：根据所选用测速发电机纹波情况，取。3）转速环小惯性群合并后时间常数：。4）电力拖动系统的机电时间常数：题目中已经给出。（2）转速反馈系数：。（3）过载倍数：。（4）额定速降：。（5）负载系数z：。（6）计算转速调节器参数：按跟随和抗扰性能指标都较好的原则应取中频宽h=5,但是查“典II系统阶跃输入跟随性能指标与参数关系表”发现，h=5对应的超调量为37.6%不能满足题目要求的小于20%，这是因为实际中“典II系统阶跃输入跟随性能指标与参数关系表”是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系
17、统的前提，应该按ASR退饱和的情况来重新计算超调量，且查表应查“典II系统动态抗扰性能指标与参数关系表”，计算过程如下：电动机由理想空载启动时z=0，查表知h=5时，带入下式得。所以h=5能满足要求，接下来计算ASR各参数。ASR超前时间常数转速开环放大系数所以ASR的放大系数3.2.3转速环设计校验近似条件转速环截止频率为。（1）电流环传递函数简化条件： 满足近似处理条件（2）转速环小惯性群合并近似处理条件 满足近似处理条件3.2.4计算转速调节器电阻和电容转速调节器原理图如图3-3所示。图3-3含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 题目要求所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取
18、取 取电流调节器ACR的传递函数为。4直流双环系统MATLAB/Simulink仿真4.1直流双环系统电流环仿真在MATLAB的Simulink库中选择Transfer Fcn、Step、Sum、Gain、Mux、Scope、IntegratorLimited、Saturation模块按图3-1双环系统的实际动态结构图中的电流环将各个模块首尾相连即可，需要注意的是在电流环的设计过程中忽略了反电动势的影响，但在仿真时应该加上。电流环仿真电路图如图4-1所示。图4-1电流环仿真电路图设置电流环阶跃给定值为10V，仿真的结束时间为0.05s，设置scope。点击Run，然后回到命令行输入如下命令：p
19、lot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values)；hold on；title(电流环仿真波形);grid onxlabel(t/s);ylabel(Id/A);得到Scope输出电流环仿真波形如图4-2所示。图4-2 Scope输出电流环仿真波形4.2直流双环系统总体仿真将上述电流环作为一个环节，增加转速外环，使ASR输出作为ACR的输入，所用的Simulink模块相同，为了保证与实际情况相符，应加上负载扰动，其总体仿真电路图如图4-3所示。图4-3总体仿真电路图此处通过模拟调速系统带额定负载启动时的情况，来验证设计是否满足要求，因此设置转速给定为10V
20、，负载电流扰动为额定值68，仿真时间为1s。观察电机转速、电流和总的波形。仿真结果如下所示：带一半额定负载时电流环的波形如图4-4所示。图4-4 带一半额定负载时电流环的波形带一半额定负载时转速环的波形如图4-5所示。图4-5 带一半额定负载时转速环的波形带一半额定负载时转速环和电流环总的波形如图4-6所示。图4-6 带一半额定负载时总的波形图5心得体会在这次课程设计中我结合书本所学的知识，完整的完成了直流双环调速系统的设计到仿真的全过程。平时的上课或自己看书只是停留在看懂的层面上，没有自己亲自验证一下，借助这次课程设计我静下心来认真的从头到尾将ACR、ASR调节器的参数计算过程做了一遍，发现
21、自己看书时是自认为懂了，实际上很多细节仍没有搞清楚，合上书本设计时思路仍然不清晰，所以我在设计之前又认真的把“调节器工程设计”这一部分又认真的看了一遍，才比较顺利的设计了出来。仿真环节我做的相对顺利一些，因为之前对Simulink有过一定程度的了解，所以仿真部分我把主要精力放在对仿真结果的验证与分析上，通过选取合适的测量点，我将对于理解双环系统工作原理的关键信号采集并显示出来与课本理论比较、分析，得到了较为满意的结果。通过本次课程设计使我对双闭环直流调速系统有了更加深刻的认识，加上直流调速系统模型较为简单，设计方法成熟，有很多值得借鉴的资料，所以本次课程设计总体上做的较为顺利，在这次课程设计中
22、我有意识的锻炼了自己的工程设计与分析思路，个人认为对于今后的研究学习有极大的帮助与促进作用。参考文献1 阮毅，陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统M北京：机械工业出版社，20092 胡寿松自动控制原理M北京：科学出版社，20073 李发海，王岩电机与拖动基础M北京：清华大学出版社，20054 王兆安，刘进军电力电子技术M北京：机械工业出版社，2009.5 黄永安，马路MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真开发与高级工程应用M北京：清华大学出版社，2005.本科生课程设计成绩评定表姓 名戚敏辉性 别男专业、班级自动化1005班课程设计题目：直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三）课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计态度认真、遵守纪律（10分）绘图或仿真（20分）电路设计、参数计算正确（15分）报告规范，参考文献充分（10分）独立完成（20分）答辩（25分） 总分：_最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日
