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1、摘要双闭环直流调速系统课程设计摘要：这份课程设计实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确宜观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。进一步解决限流问题，唯一的途径就是对电流也实行反馈控制，问题是怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系。经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。关键词：双闭环直流调速系统；
2、不可逆系统；直流电动机；MATLAB；仿真；课程设计目录一设计题目1二已知条件及控制对象的基本参数1三设计要求1四设计方法及步骤1I用工程设计方法设计1(1)系统设计的一般原则(2)电流调节器设计2(3)转速调节器设计511用西门子调节器最佳整定法设计9(1)电流环的动态校正9(2)转速换的动态校正10m两种设计方法的分析与比较H五设计心得11六参考文献12一、设计题目：双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计二、已知条件及控制对象的基本参数：(1)已知电动机参数为：Pnom=3kW,Ullom=220V,Inom=11.5,nwow=1500rmin,电枢绕组电阻Ra=I.2
3、5Q,GD2=3.53ah210,但从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控Tli0.0037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，对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用Pl调节器，其传递函数为：%（三）=K,空出3）选择电流调节器参数积分时间常数i=Tl=0.07s为满足b*5%要求，取电流环开环增益&为2Tli (2x0.0037)135. 14 S-i电流调节器比例系数Kj为“TiRCL,0.072.85CCrKi=C.-i-
4、=135.14=3.27Ks0.21837.84取调节器的输入电阻R,=20kQ,则电流调节器的各参数为Ri=KiRo=3.2720k=60.54k,取62kCT=嘿猾八L13,取4 4x0002x10520103F =0. 4 F ,取 0. 47根据上述参数可以达到的动态指标为 i%=4. 3%5%故能满足设计要求。4)校验近似条件电流环截至频率ci =/C=135.14l,晶闸管装置传递函数近似条件为 -, C 3Ts1 1沅- 3x0.00175i=196. 1 5, ci故该近似条件满足。忽略反电动势影响的近似条件为3/(TmTl),现3,1/(V；)=31/(0.1620.07)J
5、=28.2,ci故该近似条件满足。(3)转速环设计电流环经过简化后可视作为转速环中的一个环节，为此，需要求出它的闭环传递函数Wcli(s),忽略高次项，可由近似条件图226转速环的动态造构图及其简化接入转速环内，电流环在转速环内应等效为：这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效为只有较小时间常数1/K/的一个惯性环节，这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环(内环)的一个重要功能。转速环动态结构图及简化：1)确定时间常数因U；=annom,故转速反馈系数为a=-g-=V*minr=O.0067V*minr1500电流环的等级时间常数
6、为2,=0.0074s.取转速反馈滤波时间常数7；“=0.01s,转速环的时间常数为Tii=2Tli+Toit=Q.0074s+0.01s=0.0174s2)选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似PI调节器，按典型H型系统进行设计。这样的系统同时也可满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，当近似PI调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为%sr(三)=K,Xns3)选择转速调节器参数
7、按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5,求出转速超调量6“和过渡过程时间txO如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当h=5时，ASR退饱和超调量为%=(ACW%)2(4-z)时,&CbnTm式中，4为电动机允许过载系数，按题意2=2.1；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0;%加为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，%加=今止；(竿-)是基准值为Cb时CeQA r-当h=5时，(空皿 Cb的超调量相对值，而G=2(/1-z)A%加冬。%)=81.2%,故起动到额定转速，即n=%wn时，退饱和超调量为n=9.2%l0%满足
8、设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间4延长，ts可表示为其中4为恒流升速时间，L是退饱和超调过渡过程时间。CTn0.1320.1621500C1.=e,n三=s=0.31sRlnom2.852.117.5退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5时/=8.8=0.153s。但恢复时间是按误差为5%G,计算的。这里Cz,=2TN= 2lnom=170. 4rmin,故 5% G =8.5rmin.,这就是说，转速进入8.5rmin的恢复时间为0.153s。但这里的恢复时间应按转速进入来计算，由于Wn=75r/min8.5
9、rmin,显然所需时间将远小于O.153s，故可忽略不计，于是Z,f2=031s可见，能满足设计要求。这样，就可根据h=5选择转速调节器的参数。ASR的时间常数为rn=h=50.0174s=0.087s转速环开环增益为1+ 16500.01742H = 396.4”ASR比例系数为(h+)CeTttt_60.2180.1320.162K11=8.4IhaRTn100.00672.850.0174如设调节器输入电阻R,=20k,则R=KnR,=8.4x20k=168k,取160kCq=“F=0.54,取0.47F40.0110620103F =2 F，取 2 F4)校验近似条件转速环截止频率为c
10、n=-=Knn=396.40.087ST=34.5ST电流闭环传递函数简化条件为/,现57刀=s1=54.1sco5%50.0037故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为COmI71/(2),现gjl(2.Q)=I1/(2X0.0037X0.01)ST=38.7551cl故满足该简化条件5)易犯错误由例2-2知，此系统是有差系统，ASR似乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。这时，转速环的开环放大系数为根据设计指标，转速超调量要求5“10,据此可选择参数为KNJ=O.69于是1170.690.1320.2180.162C,Wasr=9.7s0.01740.00672.85上述设计过程的
11、错误是：ASR采用比例调节器，当其放大系数为9.7时，虽可满足动态指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时KASR=76.3,即ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR采用Pl调节器(或近似Pl调节器)后，才能较好地解决这个矛盾。为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用Pl调节器，并按典型口型系统进行设计。另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间4时，若查教材表2-6,当h=5时，得4:9.55=9.55x0.174s=0.17s是不对的，此错误在于：教材表2-6所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适
12、用与线性系统。而实际系统在突加给定后，由于ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。11用西门子调节器最佳整定法设计(1)电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图2-27所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI调节器，即%(三)=口TDiS如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统所得调节器参数为i=Ti=RiCi=0.0720.21837.840.0037八2.85s=0.021s因此=201,故。,=崂品&尸=1.05尸，取1尸，于是4=/=OB*-=7
13、0AC,取68X1。这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量i%=4%,上升时间r=4.77,.=4.7O.0037s=0.017o(2)转速环的动态校正将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如教材中图2-33所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用PI调节器，即WACR(三)=K,2D2s如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统K.Q.C0.0174s=0.265sm两种设计方法的分析比较(1)西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型I型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I
14、型系统中选K=的情况。2T(2)西门子设计方法中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型TI型系统中选中频宽h=4的情况。(3)西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR饱和，因此给出的It大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小5.，因此只要ASR饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。此外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这就给现场调试带来一定困难。六、设计心得：这次电力拖动自动控制系统课程设计历时一周，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识
15、，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，头有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候,基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。多和同学讨论，讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些；多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。在利用MATLAB软件中的Simulink进行本课程设计的系统仿真时，遇到了前所未有的麻烦，由于对软件的不熟练，仿真老是出现失误，但我没有放弃，上图书馆查阅资料，问同学，请教老师，终于完成了，心里真的好高兴，我收获的不仅仅是一门课程设计，还有对MATLABD的更深一层次的熟练与掌握，克服问题的耐心与执着。七、参考文献：1陈伯时.电力拖动自动控制系统（第3版）.北京：机械工业出版社2黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，3陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用.西安：西安电子科技大学出版社
