转速电流双闭环直流调速系统设计(2)

12020年4月19日转速电流双闭环直流调速系统设计(2)文档仅供参考，不当之处，请联系改正。02020年4月19日运动控制课程设计专业：自动化班级：姓名：学号：指导教师：07月16日转速、电流双闭环直流调速系统设计评语：考勤（10）守纪（10）过程（40）设计报告（30）答辩（10）总成绩（100）文档仅供参考，不当之处，请联系改正。12020年4月19日1.设计目的一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。故采用转速、电流双闭环控制系统。2.设计任务某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路；基本数据如下：(1)直流电动机：220V、160A、1460r/min、Ce=0.129Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5；(2)晶闸管装置放大系数：Ks=40；(3)电枢回路总电阻：R=0.5Ω；(4)时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.19s；(5)电流反馈系数：β=0.042V/A；(6)转速反馈系数：α=0.0068Vmin/r；文档仅供参考，不当之处，请联系改正。22020年4月19日试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。3.设计要求根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统：(1)设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统；(2)分析电流环不同参数下的仿真曲线；(3)在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统；(4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线(5)进行Simulink仿真，验证设计的有效性。4.设计内容4.1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一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既能够保证系统的稳态精度，文档仅供参考，不当之处，请联系改正。32020年4月19日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，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，得到电流的自动保护。图1为双闭环调速系统的动态结构框图。图1双闭环调速系统的动态结构框图4.2设计思路设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环，从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。文档仅供参考，不当之处，请联系改正。42020年4月19日4.3电流环的设计4.3.1时间参数的确定(1)电枢回路电磁时间常数：Tl=RL=0.03s；(2)电力拖动系统机电时间常数：sCeCmRGDTm18.03752(3)整流滤波时间常数：三相桥式电路的平均失控时间：Ts=0.00167s(4)电流滤波时间常数：三相桥式电路每个波头的时间是0.0033s，为了基本滤平波头，应有(1～2)Toi=0.0033s，因此取Toi=2ms=0.002s(5)电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.00367s4.3.2典型系统的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。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，其传递函数能够写成文档仅供参考，不当之处，请联系改正。52020年4月19日ssKsWiiiACR)1()(4.3.3计算电流调节器的参数(1)ACR超前时间常数：sTli03.0(2)电流环开环增益：在本设计中，要求%5i时，应取5.0iITK，因此，11.1355.0sTKiI于是，ACR的比例系数为：013.1SiIiKRKK4.3.4校验近似条件电流环截止频率：11.135sKIci(1)校验晶闸管整流装置传递函数近似条件为：11.19631sTSci，满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环影响的条件为：182.4013sTTlmci，满足近似条件。(3)校验电流环小时间常数近似处理条件为：18.180131sTTisci，满足近似条件。4.3.5计算调节器电阻和电容由运算放大器的电路原理能够得出，当调节器输入电阻文档仅供参考，不当之处，请联系改正。62020年4月19日KRo40时，电流调节器的具体电路参数如下：KRKRoii52.40；FRCiii75.0；FRTCooioi2.044.4转速环的设计4.3.1时间参数的确定(1)电流环等效时间常数：sTKiI0074.02(2)转速滤波时间常数：sTon01.0(3)转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取sTTTonin0174.024.4.2典型系统的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，因此应该设计成典型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sKWnnnsACR)1()(4.4.3计算转速调节器的参数按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则(1)ASR的超前时间常数为：shTnn087.0文档仅供参考，不当之处，请联系改正。72020年4月19日(2)转速环开环增益：2224.39621sThhKnN于是，ASR的比例系数：7.112)1(nmenRThTChK4.4.4检验近似条件由转速截止频率：115.34sKNcn(1)电流环传递函数简化条件：17.6331sTKiIcn，满足简化条件。(2)转速环小时间常数近似条件：17.3831sTKonIcn，满足近似条件。4.4.5计算调节器电阻和电容由运算放大器的电路原理能够得出，当调节器输入电阻KRo40时，电流调节器的具体电路参数如下：KRKRonn468；FRCnnn185.0；FRTCoonon144.4.6校核转速超调量由mnNbnTTnnzCC*max))((2%可得：当h=5时,%2.81maxbCC；因，能满足设计要求。5.电流环的仿真5.1电流环的整体仿真模型电流环的整体仿真模型见附录A图2所示。文档仅供参考，不当之处，请联系改正。82020年4月19日5.2电流环在不同参数时的仿真图形(1)KT=0.25时，ACR中的PI调节器的传递函数为：按图2的模型仿真能够得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图4所示。其超调量σ=0%，即无超调量。(2)KT=0.5时，ACR中的PI调节器的传递函数为：按图2的模型仿真能够得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图5所示。其超调量满足σ≦4.3%。(3)KT=1时，ACR中的PI调节器的传递函数为：按图2的模型仿真能够得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图6所示。其超调量满足σ≦16.3%，超调大，可是上升时间短。观察图4、5和图6的仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A,期原因是电流系统受到电动机反电动势的扰动，它是一个线性渐增的扰动量，因此系统做不到无静差，而是略低于最大电流。6.转速环的仿真6.1转速环的整体仿真模型文档仅供参考，不当之处，请联系改正。92020年4月19日图1转速空载高速启动波形图图2转速满负载启动波形图图3转速环抗扰波形图文档仅供参考，不当之处，请联系改正。102020年4月19日6.2转速环在不同负载时的仿真图形(1)空载起动时，阶跃信号Step1的Finalvalue输入设为0，转速环空载高速起动波形图见附录B图7所示。(2)满载起动时，阶跃信号Step1的Finalvalue设为136，转速环满载高速起动波形图见附录B图8所示。(3)抗干扰性的测试，将阶跃信号Step1的Steptime设置为1，将Initialvalue设置为0，将Finalvalue设置为100（或其它1到136均可做干扰），其它设置不变，转速环抗扰波形图见附录B图9所示。7.心得体会这次课程设计中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，特别是simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。本次课程设计让我们对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解，对此设计加深了认识。经过matlab的仿真，使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。经过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。同时也能够经过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。文档仅供参考，不当之处，请联系改正。112020年4月19日附录附录A图4转速环的整体仿真模型图5电流环整体仿真模型附录B文档仅供参考，不当之处，请联系改正。122020年4月19日图6KT=0.25时无超调的仿真结果图7KT=0.5时电流环的仿真结果文档仅供参考，不当之处，请联系改正。132020年4月19日图8KT=时超调量较大的仿真结果