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双闭环直流电机调速系统设计报告

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闭环 直流电机 调速 系统 设计 报告
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运动控制系统课程设计 专 业： 自动化 设计题目双闭环直流电机调速系统设计 班级：学生姓名：学号： 指导教师： 分院院长： 教研室主任： 电气工程学院 一、课程设计任务书 三相桥式整流电路，已知参数为： P =555KW,U =750V,I =760A,n =375r/min, 电动势系数 Ce=1.82V.min/r, N N N N 电枢回路总电阻R=0.14Q，允许电流过载倍数入=1.5，触发整流环节的放 大倍数Ks=75,电磁时间常数Tl=0.031s，机电时间常数Tm=0.112s电流反馈 时间常数Toi=0.002s转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s。且调节器输入输 出电压U*nm=U*in=U*cm=10V,调节器输入电阻R =40KQ。 0 2. 设计内容 1） 根据题目的技术要求，分析论证并确定闭环调速系统的组成，画出 系统组成的原理框图。 2） 建立双闭环调速系统动态数学模型。 3） 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定 ASR 调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，吏调速系统工作稳定， 并满足动态性能指标的要求。 4） 利用 MATLAB 进行双闭环调速系统仿真分析，并研究参数变化 时对直流电动机动态性能的影响。 3. 设计要求： 1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较 宽地转速调速范围（D > 10 ），系统在工作范围内能稳定工作。 2 ）系统静特性良好，无静差（静差率S § 2 ）。 3 ）动态性能指标：转速超调量6n<10%，电流超调量5i < 5%，动态 最大转速降An < 8〜10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间））s §1s。 4） 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。 5） 主电路采用三项全控桥。 4. 课程设计报告要求 1）、要求在课程设计答辩时提交课程设计报告。 2）、报告应包括以下内容： A、 系统各环节选型 双闭环直流调速系统的工作原理 调节器的工程设计 Simulink 仿真 B、 系统调试过程介绍，在调试过程中出现的问题，解决办法等； C、 课程设计总结。包括本次课程设计过程中的收获、体会，以及对该课 程设计的意见、建议等； D、 设计中参考文献列表； E、 报告使用B5纸打印，全文不少于2000字。 5. 参考资料 [1] 朱仁初，万伯任•电力拖动控制系统设计手册[M].北京：机械工业出版社，1994. [2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006. [3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M],第三版.北京:机械工业出版 社, 2007年6月． [4] 孑L凡才•晶闸管直流调速系统[M ].北京:北京科技出版社，1985 • ⑸段文泽，童明倜•电气传动控制系统及其工程设计[M].四川：重庆大学出版 社,1989.10. [6] 运动控制系统课程设计指导书. 6. 设计进度（2012年12月3日至12月14 日） 时间 设计内容 12 月 3日 布置设计任务、查阅资料 12月4日-12月7日 方案论证及总体设计 12月10日-12月13日 系统调试及整理课程设计报告 12 月 14 日 课程设计答辩 7. 课程设计时间及地点 2012年12月3日~ 2012年12月14日 上午 8 ： 00-11 ： 00 ；下午 13 : 00~16 : 00 二、评语及成绩 考核项目 考核内容 评估标准 等级 完成情况 (50) 方案设计 (15) 优：设计方案合理，内容正确，有独立见解或创造性； 良：方案正确，有定见解； 中：设计方案及内容基本正确，分析问题基本正确， 无原则性错误； 及：设计方案及内容基本合理，分析问题能力较差， 但无原则性错误； 不及：设计方案不合理，有严重的原则性错误； □优 □良 □中 □及 □不及 技术指标 (20) 优：各项指标均完全达到 良：各项指标基本达到，只有一项指标有微小差距 中：有一项指标没有达到 及：有两项指标没有达到 不及：有三项指标以上没有达到 □优 □良 □中 □及 □不及 设计报告 (15) 优：设计报告内容正确，完整，规范，图面质量好， 且符合国家制图标准； 良：设计报告内容正确，较完整，规范，图面质量较 好，且符合国家制图标准； 中：设计报告内容有个别错误，较完整，较规范，图 面质量一般； 及：设计报告内容基本正确完整，较规范，有多个错 误； 不及：设计报告内容中不加消化，照搬照抄； □优 □良 □中 □及 □不及 综合能力 (30) 设计实施 能力 (15) 优：能够自行利用现有资料，对设计方案进行合理分 析，方案确定正确，程序设计合理，工具软件使用熟 练； 良：在教师指导下能够利用现有资料，对设计方案进 行合理分析，方案确定正确，程序设计合理，工具软 件使用熟练； 中：在教师指导下能够利用现有资料，对设计方案进 行合理分析，方案确定较正确，程序设计较合理，工 具软件使用较熟练； 及：教师指导参与过多，才能够利用现有资料，对设 □优 □良 □中 □及 □不及 考核项目 考核内容 评估标准 等级 综合能力 (30) 设计实施 能力 (15) 计方案进行检验，程序设计较合理，工具软件使用较 熟练； 不及：不能在教师指导下完成规定的设计方案检验。 故障处理 能力 (15) 优：能够自行对硬件和程序出现的问题，进行合理、 咼效的解决； 良：在教师指导下能够较好处理硬件和程序出现的问 题，并能够消化吸收； 中：在教师指导下能够基本处理硬件和程序出现的问 题，有一定的分析能力； 及：教师指导参与过多，才能够完成硬件和程序出现 的问题； 不及：不能在教师指导下完成故障的处理。 □优 □良 □中 □及 □不及 基本素质 (20) 安全文明 操作 (10) 优：没有发生任何安全事故和设备、设计现场整齐规 范； 良：没有发生任何安全事故和设备，设计现场较整齐 规范； 中：没有发生任何安全事故和设备，设计现场欠整齐； 及：没有发生安全事，现场长期脏、乱差，或造成材 料浪费 不及：发生安全事，或现场长期脏、乱差，或造成材 料浪费 □优 □良 □中 □及 □不及 劳动纪律 (10) 优：能完全遵守课程设计管理制度和作息制度，无违 纪行为 良：能遵守课程设计管理制度和无旷工行为，迟到/ 早退1次 中：能遵守课程设计管理制度和无旷工行为，迟到/ 早退2次 及：违反守课程设计管理制度，或有1次旷工、或迟 至1」/早退3次 不及：劳动纪律出现重大问题，取消成绩 □优 □良 □中 □及 □不及 总成绩： 指导教师： 等级评分标准：优=90上，良=89~80，中=79~70，及=69~60，不及=60下 目录 目录 第一章 双闭环直流调速系统的工作原理 1 1.1 双闭环直流调速系统的介绍 1 1.2 双闭环直流调速系统的组成 2 1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 3 1.4 双闭环直流调速系统的数学模型 4 1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 4 1.4.2 起动过程分析 5 第二章 调节器的工程设计 8 2.1 调节器的设计原则 8 2.2丨型系统与II型系统的性能比较 8 2.3 电流调节器的设计 9 2.3.1 结构框图的化简和结构的选择 9 2.3.2 时间常数的计算 11 2.3.3 选择电流调节器的结构 11 2.3.4 计算电流调节器的参数 12 2.3.5 校验近似条件 12 2.3.6 计算调节器的电阻和电容 13 2.4 转速调节器的设计 14 2.4.1 转速环结构框图的化简 14 2.4.2 确定时间常数 15 2.4.3 选择转速调节器结构 15 2.4.4 计算转速调节器参数 16 2.4.5 检验近似条件 16 2.4.6 计算调节器电阻和电容 17 第三章 Simulink 仿真 18 3.1 脉冲同步触发器子系统构建 18 3.2 转速环的仿真设计 19 3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计 20 总结 21 参考文献 22 第一章 双闭环直流调速系统的工作原理 1.1 双闭环直流调速系统的介绍 双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济， 适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知 道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上 的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单 闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系 统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，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完全按照需 要来控制动态过程的电流或转矩。 在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。 但它只是在超过临界电流 Idcr 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的 冲击，并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 调速系统起动时的电流和转速波形如图1- （a）所示。当电流从最大值降 低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。 图1-1调速系统起动过程的电流和转速波形动过程 在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充 分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩） 为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转 速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运 行。这样的理想起动过程波形如图1- （b）所示，这时，启动电流成方波 而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所 能得到的最快的起动过程。 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条 件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm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就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中 只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入 端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主 作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两 种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 1.2 双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调 节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1-2 所示，即 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 制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做 内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系 统。 该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR —般都采用PI调节器。 因为 PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态 运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾 快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主， * 图1-2 转速、电流双闭环直流调速系统 图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui—电流给定电压 和电流反馈电压；ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速 发电机；TA—电流互感器；UPE—电力电子变换器 1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 双闭环直流系统的稳态结构图如图 1-3 所示，分析双闭环调速系统静 特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况：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 为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器 不饱和时，PI作用使输入偏差电压 在稳太时总是为零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此， 对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 1）转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零， 因此， Un*=Un=a X n=a X n0 Ui*=Ui= 0 X Id 可得：n=Un*/a=nO 从而得到静特性曲线的 CA 段。与此同时，由于 ASR 不饱和， Ui*nO,则Un>Un*，ASR将退 出饱和状态 C A B Alnum Alm 图 1-4 双闭环直流调速系统的静特性曲线 1.4 双闭环直流调速系统的数学模型 1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模 型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 1-5所示。图中Wasr(s)和Wacr(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传 递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流 Id 显露出来。 0 戸 ^ASR.(S； F*®* 耳芒+1 图 1-5 双闭环直流调速系统的动态结构框图 1.4.2 起动过程分析 双闭环直流调速系统突加给定电压 Ugn 由静止状态起动时，转速调 节器输出电压Ugi、电流调节器输出电压Uk、可控整流器输出电压Ud、 电动机电枢电流 Ia 和转速 n 的动态响应波形过程如图 1-6 所示。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I、II、III三个阶段。 ft II II Ail 『2 0 图 1-6 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压 Ugn 时，由于电动机的 机电惯性较大，电动机还来不及转动（n=0）,转速负反馈电压Ufn=0，这 时厶Un=Ugn-Ufn很大，使ASR的输出突增为Ugio, ACR的输出为Uko, 可控整流器的输出为Udo使电枢电流Ia迅速增加。当增加到la三IL （负 载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限 幅值Ugim，从而使电枢电流达到所对应的最大值lam （在这过程中Uk， Ud的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR 的给定电压基本上是相等的，即Ugim〜Uft=0 lam式中，p 电流反 馈系数。 速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。 第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值 Iam 开始，到转速升 到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中， ASR 一直是 饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为 恒流调节。由于电流Ia保持恒定值lam，即系统的加速度dn/dt为恒值， 所以转速n按线性规律上升，由Ud=IamRE+CeN知，Ud也线性增加， 这就要求 Uk 也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和 的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。 第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始 时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压Ugn与转速负反馈电压Ufn 相平衡，输入偏差AUn等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅 值 Ugim ，所以电动机仍在以最大电流 Iam 下加速，使转速超调。超调 后，Ufn>0，AUn<0，使ASR退出饱和，其输出电压（也就是ACR的给 定电压）Ugi才从限幅值降下来，Uk与Ud也随之降了下来，但是，由 于Ia仍大于负载电流II,在开始一段时间内转速仍继续上升。到Iavll时， 电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定（如果系统的动态品质不够 好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作 用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图 使 Ia 尽快地跟随 ASR 输出 Ugi 的变化。 稳态时，转速等于给定值ng，电枢电流Ia等于负载电流II，ASR和 ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电 压。ASR的输出电压为：Ugi=Ufi=0Il, ACR的输出电压为：Uk= (Ce Xng+IIR 刀)/Ks。 由上述可知,双闭环调速系统,在启动过程的大部分时间内, ASR 处于饱和限幅状态,转速环相当于开路,系统表现为恒电流调节,从而可 基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调,只有在超 调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用， 从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具 有良好的静态和动态品质。 综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点： (1) 饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完 全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用 分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样 的控制系统。 (2) 转速超调：当转速调节器 ASR 采用 PI 调节器时，转速必然有 超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用 其他控制方法来抑制超调。 (3) 准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作 “时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的 恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程I、II两个阶段中电流 不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段 时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控 制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价 值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。 第二章 调节器的工程设计 2.1 调节器的设计原则 为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈 和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题： 1）保证转速在设定后尽快达到稳速状态； 2）保证最优的稳定时间； 3）减小转速超调量。 为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计， 以满足系统的需要。 建立调节器工程设计方法所遵循的原则是： 1）概念清楚、易懂； 2）计算公式简明、好记； 3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式； 5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器 类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。 在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能 指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的 数据计算一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作 量。 2.2 I型系统与II型系统的性能比较 许多控制系统的开环传递函数可表示为： K H ( s +1) W (s )= j Sr H 0 S + 1) j i=1 根据W(s)中积分环节个数的不同，将该控制系统称为0型、I型、 II型……系统。自动控制理论证明，0型系统在稳态时是有差的，而III型 及III型以上的系统很难稳定。因此，通常为了保证稳定性和一定的稳态精 度，多用I型、II型系统，典型的I型、II型系统其开环传递函数为 W (s) = K (2-1) s (Ts +1) K (t s +1) s 2(Ts +1) 2-2) 一般说来典型I型系统在动态跟随性能上可以做到超调小，但抗忧性 能差；而典型II型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。基于 此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环的一个重要作用是保持电枢 电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计电流环首先要考 虑的问题，所以一般电流环多设计为I型系统，电流调节的设计应以此为 限定条件。至于转速环，稳态无静差是最根本的要求，所以转速环通常设 计为II型系统。在双闭环调速系统中，整流装置滞后时间常数Ts和电流 滤波时间常数Toi 一般都比电枢回路电磁T1小很多，可将前两者近似为 一个惯性环节，取TEi=Ts+Toi0这样，经过小惯性环节的近似处理后， 电流环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型I型系统，同理, 经过小惯性环节的近似处理后，转速环的被控对象形如式(2-1)。如前所述， 转速环应设计成II型系统，所以转速调节器也就设计成PI型调节器，如 下式所示: W (s)二 K (2-3) ts 2.3 电流调节器的设计 2.3.1 结构框图的化简和结构的选择 在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影 响，即AE~0。这时，电流环如图2-1所示。 + U(s) ACR — i「 U.(s) i K s Ts+1 ―s Udo(s) 1/R Ts+1 i I (s) T s+1 0i- 图 2-1 电流环的动态结构框图及其化简 3 > 3 1 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： m l 式中3 . 电流环开环频率特性的截止频率。 ci 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u*i（s）/B，则电流环便等效成单位负反馈系统。 U*.(s) ACR U (s) c K/R d（S） (Ts+1)(Tis+1) 图 2-2 等效成单位负反馈系统 最后，由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小得多，可以当作小惯性群而近 似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 T = T + T E i s oi 则电流环结构图最终简化成图 2-3 图 2-3 小惯性环节的近似处理 2.3.2时间常数的计算 图2-23C 1） 直流电机参数 2） 整流装置滞后时间常数 Ts=0.0017s。 s 3） 电流滤波时间常数 Toi=0.002s。 oi 4） 电流环小时间常数之和 T=T +T i=0o 0017s +0。002s =0.0037s E s oi 5） 电枢回路电磁时间常数T]= 0.031s 6） 电力拖动系统机电时间常数Tm=0.112s 2.3.3 选择电流调节器的结构 要求电流无静差，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大 的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及 时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典 型 I 型系统。 电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应 采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 W (s) ACR K (t s + 1) ——i i 2-5) t s i 式中 Ki — 电流调节器的比例系数； ti — 电流调节器的超前时间常数。 T 0.031 检查对电源电压的抗扰性能：T~ = 0-0037 = 8.37，参照典型I型系统动态 工i ° 抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。 2.3.4 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数：t =T=0.031s。 il 电流环开环增益：要求5 <5%时，应取KT =0.5,因此 i I Ei 衣 0.5 0.5 K 一 - - 135.1s i i T 0.0037 工i 于是， ACR 的比例系数为： K t R 135.1 x 0.031 x 0.14 i i = = 0.888 K P 75 x 0.0088 s U * im 10 375 U*im N E = °.0088 2.3.5 校验近似条件 电流环截止频率：® =K=135.1s-i； ci I 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 二 196. 1s -1 满足近似条件 1 _ 1 3T - 3 x 0. 0017s s 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： ■ 1 : 1 3 = 3 = 50.91 T T 0.112 x 0.031 m l 1:丄 3订T * s oi ; 1 \'O. 0017 x 0. 02 =180.8 满足近似条件 2.3.6计算调节器的电阻和电容 [> 一矶 图2-4 PI型电路调节器的组成 电流环小时间常数近似处理条件 按所用运算放大器取R0=40k°，各电阻和电容值为: R 二KR 二0.888x40k°二35.52k° 取36k° i i 0 C 二二二 0.031 F 二 lpF 取lpF i R 36 x 103 i C 二伫=4 X 0.002 F 二 0.2pF 取0.2pF oi R 40 X103 0 2・4转速调节器的设计 2.4.1 转速环结构框图的化简 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环 等效环节的输入量应为Uj*(s),因此电流环在转速环中应等效为 1 I (s) W (s) P ——d = ―cli U — U*(s) 卩 1 1 i s + 1 K I 用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图 便如图 2-5 所示 和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给 定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / K］和T0n的两个小惯性环节 合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 工n 1 K on 图 2-5 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图 + T 最后转速环结构简图为图 2-6 图 2-6 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图 2.4.2 确定时间常数 1） 电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KIT i=0.5，则 I I £1 1 二 2T 二 2 x 0.0037 二 0.0074s K 工i I 2） 转速滤波时间常数T。根据已知条件可知T =0.02s onon 3） 转速环小时间常数T。按小时间常数近似处理，取 £ 1 T 二 + T 二 0.0074 + 0.02 二 0.0274s 工 n K on I 2.4.3 选择转速调节器结构 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II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由 此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 K (T s +1) W ( S ) _ n—n ASR T S n 式中 Kn —转速调节器的比例系数； T n一转速调节器的超前时间常数。 2.4.4 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: t 二 hT 二 5 x 0.0274 二 0.137 s n 工n 转速环开环增益为： K 二 h +1 二 6— N 2h2T 2 2x52 x 0.0274 2 工n 二 158.83 - 2 ASR 的比例系数为： (h +1)卩C T e_m 2haRT E n 6 x 0.0088 x 1 .82 x 0. 1 1 2 ―10.51 2 x 5 x 0.0267 x 0.14 x 0.0274 2.4.5 检验近似条件 转速环截止频率为 K ① =—n = K t = 158.83 x 0.137 = 21.76s-1 1）电流环传递函数简化条件为 1 K _ 1 J 135.1 列龙_视00而 _ 63.7s -1 满足近似条件 2）转速环小时间常数近似处理条件为 =27.4s -i 满足近似条件 1 :K 1 135.1 4 =— 3\ T 3、0.02 1 on 2.4.6计算调节器电阻和电容 A 心 T I J on _ 鱼 2 T ■―i—r~^— —an Rbal -r Jon 图2-7 PI型转速调节器的组成 取 R0=40kQ ,则 R = K R = 10.51 x 40kQ = 420.4kQ 取420kQ； n n 0 T 0 137 C = — = ― F = 0.00326 pF 取0.033pF； n R 420 x 103 n 4T 4 x 0.02 C =—on = 丄 F = 2 pF 取2pF on R 40 x 103 0 第三章 Simulink 仿真 3.1脉冲同步触发器子系统构建 校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在 matlab 中搭 建好系统的模型，如下图 3-1： 图 3-1 电流环的仿真模型 3.2 转速环的仿真设计 校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在 matlab 中搭 建好系统的模型，如下图 3-2： 图 3-2 转速环的仿真模型 3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计 校正后双闭环直流调速系统的动态结构框图经过化简和相关计算 在 matlab 中搭建好系统的模型，如下图 3-3 ： 图 3-3 双闭环直流调速系统的仿真模型 总结 总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现,提出,分析和解决实际 问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察 过程.随着科学技术发展的日新日异。回顾起此课程设计，至今我仍感慨 颇多，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的 东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上 所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是 很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相 结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实 际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困 难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计 的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻， 掌握得不够牢固。当真正做时就不那么得心应手了！课程设计之后，学到 了! 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老 师的指导下，终于游逆而解。同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导 老师再次表示忠心的感谢！ 感谢老师的帮助，您辛苦了！ 总结人： 2012 年 12 月 14 日 参考文献 参考文献 [1] 朱仁初，万伯任•电力拖动控制系统设计手册[M].北京：机械工业出版社，1994. [2] 王兆安，黄俊•电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006. [3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M],第三版.北京:机械工业出版 社, 2007年6月． [4] 孔凡才.晶闸管直流调速系统[M].北京:北京科技出版社，1985. ⑸ 段文泽，童明倜•电气传动控制系统及其工程设计[M] •四川：重庆大学出版 社,1989.10. [6] 运动控制系统课程设计指导书
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