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1、课 程 设 计 任 务 书专 业班 级姓 名设 计 起 止 日 期设计题目：设计任务（主要技术参数）：指导教师评语：成绩： 签字：年 月 日双闭环直流调速系统的设计班 级：08t自动化1学 号：姓 名：指导教师： 设计时间：2011.12.20-2011.12.24目 录1 课程设计的目的 12 课程设计的主要内容 12.1 系统的组成 12.2 系统的工作原理 22.3 系统的静特性分析 22.4 系统的动态过程分析 32.5 电流调节器的设计 42.6 转速调节器的设计 72.7 电流环的仿真 92.8 转速环的仿真 112.9 过电流保护 163 设计结果分析 173.1 电压变化和负载
2、变化引起的扰动情况 173.2 转速、电流双闭环直流调速系统存在的缺点及解决方案 183.3 电流调节器和转速调节器的作用 193.4 采用转速电流双闭环直流调速系统的理由 194 设计心得体会 21参考文献 22课程设计说明书 NO.11 课程设计的目的自动控制系统课程设计是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是使学生巩固和加深课程的理论知识，结合实际，融会贯通。进一步培养学生独立分析和解决实际工程技术问题的能力。充分发掘自身的潜力，开拓思路设计双闭环 直流调速系统。并掌握其系统的组成、工作原理、调节器的设计及Simulink仿真等内容，同时在计算、绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为今
3、后的学习工作奠定基础。2 课程设计的主要内容2.1 系统的组成如图1所示，为了使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，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），二者之间实行嵌套（或称串级）连接，且都带有输出限幅电路。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、电流反馈控制直流调速系统1。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子变换器，为转速给定电压，为转速反馈电压，为电流给定电压，为电流反馈电
4、压。图1 双闭环直流调速系统沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.22.2 系统的工作原理如图2所示，图中标出了两个调节器输入输出的电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压U为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。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。在启动过程中由于外环很快达到饱和，只有电流负反馈起作用，此时相当于在最大允许起动转矩的情况下进行恒流起动，系统能获得最大的加速度，且电流和转速负反馈分别加到两个调节器的输入端，到达稳态转速后，转速环起作用，系统进行转速调节，使转速稳定，此时电流环只起跟随作用，这样就可以实现准时间最优控制，使系
5、统能够获得良好的静、动态性能。图2 双闭环直流调速系统电路原理图2.3 系统的静特性分析双闭环直流调速系统的稳态结构如图3所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压U限制了电力电子变换器的最大输出电压U1。分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出达到限沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.3幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使
6、该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。图3 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数2.4 系统的动态过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压U由静止状态起动时，转速和电流的动态起动过程如图4所示。由于在启动过程中，转速调节器ASR历经了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分为图中标明的、三个阶段。第阶段是电流上升阶段。第阶段是恒流升速阶段。第阶段是转速调节阶段。图4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.4双闭环直流调速系统由直流电动机环节、功率驱动环节、电流转速控制
7、环节共同构成，通过推导可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如图5所示。双闭环直流调速系统为了实现转速和电流两种负反馈的作用，分别设置了转速调节器和电流调节器。两个调节器一般都采用PI调节器，在实际运行中可能处于不饱和、饱和两种状态。其次，双闭环调速系统包含可电流、转速两个控制回路，所以系统不能简单地用线性控制理论分析2。用工程设计的方法来设计转速、电流双闭环直流调速系统的两个调节器，应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。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是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。双闭环直流调速系统的动态结构图如
8、图5所示，图中增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。有测速发电机得到的转速反馈电压含有换向文波，因此也需要滤波，滤波时间常数用T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T的给定滤波环节。图5 双闭环直流调速系统的动态结构图2.5 电流调节器的设计 整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1000r/min，=0.192Vmin/r，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：K=44；电枢回路总电阻：R=1；沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.5时间常数：T=0.0167s，T=0.075s；电流反馈系数：=0.0
9、5V/A（10V/1.5I）。设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量5%。（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数T=0.00167s。电流滤波时间常数T。三项桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）T=3.33ms，因此取T=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和T= T+ T=0.00367。（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，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：W（s）=检查对电源电压的抗扰性能：4.55，各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常
10、数：=0.0167s。电流环开环增益：要求5%时，应取=0.5，因此K=s136.2 s于是，ACR的比例系数为=1.034沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.6（4）校验近似条件电流环截止频率：=136.2 s校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件= s199.6 满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3=3* s84.8 满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件=* s182.4 s 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图所示，按运算放大器取R=40k，各电阻和电容值计算如下：1.034*40k=41.36 k 取40 kC=0.41F 取0.4FC=
11、0.2F 取0.2F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5% 满足设计要求沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.7图6 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.6 转速调节器的设计除电流调节器的设计中已给出数据外，已知：转速反馈系数=0.01Vmin/r，要求转速无静差，空载起动到额定转速时转速超调量10%。（1）确定时间常数电流环等效时间常数。由电流调节器的设计，已取=0.5，则=2T=2*0.00367s=0.00734转速滤波时间常数T。根据所用测速发电机的波纹情况，取T=0.01s。转速小时间常数T。按小时间常数近似处理，取T=+ T=0.00734+0.01=0
12、.01734（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：W（S）=（3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为=5*0.01734=0.0867s沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.8转速环开环增益为K=s399.1 sASR的比例系数为K=2.5（4）检验近似条件转速环截止频率为=K=399.1*0.0867s34.6 s电流环传递函数简化条件= s64.2 s 满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件= s38.9 s 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图7所示，取R=40k，则2.5*40k=10
13、0k 取100kC=F0.867F 取1FC=1F 取1F（6）校核转速超调量当h=5时，=37.6%，不能满足设计要求。按ASR退保和的情况重新计算超调量。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.9（7）退饱和时转速超调量的计算=2（）（）=2*81.2%*1.5*8.98%10%满足设计要求图7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.7 电流环的仿真电流环的仿真模型如图8所示，其中晶闸管整流装置输出电流可逆。图8 电流环的仿真模型图9（a）的PI参数是根据上述电流环设计的结果设定的，参数关系是KT=0.5。在此基础上，利用图8的仿真模型，可以观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势，找到符合工程要求的更
