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1、单闭环无静差不可逆直流调速系统设计一. 自拟控制系统性能指标的要求1.设计系统原理图 2.选取合适的系统参数，在已选取的参数下计算出调速范围、动态速降、调节 时间等参数 3.完成元器件的选择，计算 PI 调节器参数二. 主要设计流程为了分析调速系统稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续线性定常系统，其数学模型是常微分方程，可用传递函数和动态结构图表示。（一）建立系统动态数学模型的基本步骤1. 根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；2. 求出各环节的传递函数；3. 组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。（二）系统动态数学模型建立的过程构
2、成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是，只是在不同的场合，参数 Ks和 Ts的数S (S) SKWT s 1值不同而已。假定主电路电流连续，则动态电压方程为 （1-1）dI d0d tdURILEd如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 （1-2） ，2 n eL tdGDTT375 d额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为（式 1-3） ，（1-4） ，em dTC IeEC n式中： 包括电机空载转矩在内的负载转矩，LT电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，2GD电机额定励磁下的转矩系数。me30CC定义下列时间常
3、数： （1-5）电枢回路电磁时间常数，lLTR(式 1-6)电力拖动系统机电时间常数，2m emGD RT375C C代入式（1-1）和（1-2） ，并考虑和 E，整理dI d0d tdURILEd2 n eL tdGDTT375 deT后得：（1-7） ，dI d0dl tdUER(IT)d（1-8） ，mE ddL tT dIIR d式中为负载电流。L dL mTIC在零初始条件下，对上述两式两侧分别取拉氏变换，得电压与电流间的传递函数与电流与电动势间的传递函数分别如下（1-9） ，dd0lI (s)1/ R U (s)E(s)Ts 1（1-10）(s)d(S)dLmER II (s)T
4、s由图可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得图 2。如果是理想空载，则 IdL = 0，结构图即简化成下图 3。图 1 整个直流电动机的动态的结构图图 2 扰动量的综合点前移的电动机动态结构图图 3 理想空载直流电动机的动态的结构图直流闭环调速系统中的其他环节还有 ASR 调节器。为实现无静差，ASR 调节器本设计选用 PI 调节器 PI 调节器的传递函数为 。由于，由测速发电机含有换向波纹，211( )T SD STS为了不使他影响调节
5、器的输入，因此需要加低通滤波，这样的滤波环节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，然而，在抑制电压波纹的同时，滤波环节onT也延迟；了反馈环节的作用，为了平衡这个延迟作用，在转速给定通道上加一同等时间常 数的惯性环节，即给定滤波环节。知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互 关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图 如图 41 1onT S ASR1SsK T S 211elmmC TT ST S1ona T S (1)lR TS *( )nUs( )nUs( )CUs0( )dUs( )dlIs( )n s图 4（三）转速调节器（ASR）设计1、提出假设
6、 ASR 选择 PI 调节器，因为 PI 调节器中的积分环节可以使输出有效的跟随输入，采用 比例积分调节器的闭环调速系统可实现无静差调速。设 PI 调节器的传递函数为 （1-11）21(1)1( )nnnKsT SD STSs 2、PI 调节器参数确定(1)、按控制要求得出关于超调量 ，调整时间，的方程st（1-12）21e（1-13）4s nt（2） 、直流电动机型号选择本实验直流电动机选 Z2-81 参数如下：22220 ,136 ,1460 / min,2.8/,0.132 *min/1.5NNNeUV IA nrGDkg m CVr允许过载倍数电枢回路总电阻：0.5R 时间常数：2 /
7、0.03 ,0.18375lm emGD RTL Rs TsC C选择转速反馈系数 为 a=0.007V*min/r 的测速发电机（3） 、整流装置采用三相桥式整流电路，晶闸管装置放大系数,40sK 整流装置滞后时间常数按下表选择sT各种整流装置的失控时间（）50ZfH整流电路形式最大失控时间max/sTms平均失控时间/sTms单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67表 1有上表知0.0017sTs（4） 、电力电子变换的近似前面已经提到不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是，S s sKW (s)Ts 1近似条件是2
8、0.5T *1=在工程计算中，允许有 10% 以内的误差，因此上面的近似条件可以写成20.5T *0.1=或 s1/(2.24T )这意味着闭环系统的频带宽度应小于 1/（2.24）bsT在设计时通常绘出的是闭环系统开环系统的频率特性，而开环系统的开环截止频率wc 一般略小于闭环频率特性得带宽,作为近似条件，可粗略地取b1/3 （1-13）csT（5） 、系统传递函数先分析负载不变时系统用传递函数，此时( )0dlIs 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成 Un*（s）/b，则电流环便等效成单位负反馈系统。 由于 Ts和 Ton一般都比 Tm小得多，可以当作小惯
9、性群而近似地看作是一个关性环节，其时间常数为 0sonTTT简化后如下图 5 所示 图 5系统控制对象传递函数近似条件：，mlT TmT因此可作如下近似：（1-14）2 0( )(1)(1)semlmaKW sC T sT TsT s0(1)(1)semaK C T sT s由于选用调节器进行控制，系统总开环传递函数为（1-15）0(1)( )(1)(1)nsnenmaK KsW sCs T sT s ASR2 0(1)(1)semlmaK C T sT TsT s* nU (s)ad0U (s)n此时要考虑应把系统校正成哪种一类型系统。从稳态要求上看，希望转速无静差，以 得到理想的转速特性；
10、从转速动态特性考虑系统要有良好的跟随性，并且负载突变时不允 许有太大的超调，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要作用。为此，系统应以跟随 型为主，所以应选用典 I 型系统，令转速开环增益为 （1-16）NKs NKK =nenaK C则开环传递函数 （1-17）0(1)( )(1)(1)NnmKsW ss T sT s取，则有（1-18）n=0.18mTs0( )(1)NKW ss T s(6)转速调节器参数计算典型 I 型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系 表2其中与 KT 的关系服从于下式（1-19）,和 （1-20）N n 0K TN011 2K T依据控制要求，由上表可得：=0.6 10%由 =408N011 2K TNK可得出=34.6s NKK =nenaK CnK（7）调整时间计算st由（6）中公式（1-19）和（1-20） 可得=2.8 ，=4.7 n 01*2Tn1s=1.07ss n3t
