最好-双闭环直流调速系统的工程设计

1、第1章 按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器3.1 设计要求本论文首先应用经典控制理论的工程设计方法,设计出转速和电流双闭环直流调速系统,然后利用现代控制理论中的线性二次型性能指标最优设计方法, 设计此调速系统。3.1.1 基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）（1）被控直流电动机 Pnom=2.8 kw Unom=220 v Inom=15.6 A Nnom=1500 rpm RD=1.41 Ce=0.129 V/rpm =1.5 Cm=0.125 kg.m/A（2）整流装置 三相全控桥式整流电路 Rn=RB+R+RN=1.60 Ks=Ud/Uk=40 Ts=1.7 ms

2、（3）电枢回路总电阻 RRn+Rs=RB+R+RN+Rp+RD=3.11（4）电枢回路总电感 L=LB+Lp+LD=74.58 mH（5）电动机轴一总飞轮矩 GD2=0.5932 kg.m2（6）系统时间常数 Tl0.02398 s Tm=0.30460 s（7）反馈滤波时间常数 Toi=0.005 s Ton=0.01 s（8）调节器最大给定电压 U*nm=U*im=8 v（9）调节器输入回路电阻 R0=40 k3.1.2 设计指标 （1）负载：恒转矩负载 Idl=0.8Inom（2）起动方式：空载起动到额定转速，Ido=0.05Inom（3）性能指标： 1）调速范围：D10 2）静差率：S

3、4% 3）电流超调量i%5% 4）转速超调量n%10% 5) 突加负载的动态速降3% 6）恢复时间t1.5秒3.2 工程设计方法的基本思路用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静态、动态性能要求8。作为工程设计方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中进一步满

4、足其它动态性能指标。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与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以下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量6。在2.6.1和2.6.2中已给出了电流和转速调节器的传递函数，此处详细讨论其理论依据及工程实现问题。3.3 电流调节器的设计3.3.1 电流环动态结构图的简化 设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用。它代表转速环输出量对电流环的影响。实际系统中的电磁时间常数TL一般远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E的变化快得多。反电

5、动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似的认为E不变，即E=0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构图。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取Ti=Ts+Toi6。 图3-1 电流环的动态结构图及其化简3.3.2 确定电流环的时间常数 以下数据Ts和Toi,设计任务书已给定。.1三相桥式电路的平均失控时间 Ts=1.7ms 2 电流滤波时间常数Toi Toi =5ms.3 电流环小时间常数

6、TI = Ts+Toi=6.7ms (3-1)3.3.3 电流调节器结构的选择首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统,电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,因而在突加控制作用时不希望有超调,或者超调量越小越好。从这个观点出发,应该把电流环校正成典系统。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用,为了提高其抗扰性能,又希望把电流环校正成典系统。一般情况下,当控制对象的两个时间常数之比TL/TI 10时,典系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。因此,一般多按典系统来设计电流环6。本设计因为 i% 5%且TL/TI =23.98/6.7ci ，满足近似条件。忽略反电动势对电

7、流环影响的条件 (3-8)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.30460*0.02398)1/2=35.10ci =KI =74.6小时间常数近似处理条件 (3-9)1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.002)1/2=180.78ci =74.6按上述参数,电流环可以达到动态指标I%=4.3%5%。2.3.6 电流环的动态性能指标频域指标 电流环的动态结构图如图3-2所示,其开环频率特性为: (3-10)L()=20lgKI-20lg-20lg(1+Ti22) (3-11)()=-90o-tg-1Ti (3-12)()=90o-tg-1Ti (3-13)根据

8、典型I型系统动态跟随指标和频域指标的参数的关系,当KITi=0.5时, 阻尼比=0.707，振荡指标MP=1，截止频率 ci=KI=74.6因此 ()=-90o-tg-1Ti=-116.6o (ci)=180-()=63.4o跟随性能指标 i%=4.3%1,1=R1C1。静态放大倍数KP/=Ri/R0，动态放大倍数KP=Ri/R0。2.5.2 系统的静态结构图双闭环调速系统的静态结构图如图3-5所示:图35 双闭环调速系统的静态结构图其中 KN/=RN/R0速度调节器的静态放大倍数 KI/=RI/R0电流调节器的静态放大倍数 KS=Ud/UK=40 =Ufn/n=Ugn/n=0.0053v/r

9、pm =Ufi/Id=8/15=0.342V/A由图35易得如下方程:Un=Un*-Un,Ui*=KN/Un,Ui=Ui*-Id,Uct=KI/Ui整理后能够得到系统的静特性方程为: (3-39)其中 K=KN/KI/KS/Ce系统的开环增益静态速降为: (3-40)设计要求满足的静差率为s4%.调速范围D,静差率s与静态速降ned的关系为:ned=neds/D(1-s)即 ned=1500*0.04/10(1-0.04)=6.25 为系统所能允许的静态速降。一般情况下，总有KI/KSR，K1则取KI/=100，有RI/=KI/R0=100*20=2M 由(3-16)整理得: 带入数据得KN/

10、=161.3 取KN/=170 ,所以Rn=Kn/R0=170*20=3.4(M)取KI/=100,则 检验: 显然，满足性能指标要求。第2章 调速系统性能指标的数字仿真4.1 基于工程设计法的数字仿真3.1.1 双闭环调速系统的动态结构图在第4章基于工程设计方法中, 我们已经设计出了双闭环直流调速系统,并得到以下参数直流电动机：=220V =15.6A =1500r/min Ce=0.129V/rpm；电动机总飞轮矩：主回路总电阻：R=3.11 =0.0017s =0.005s Tl=0.02398s =0.01s,Tm=0.30460s；反馈系数：=0.0053V/rpm =0.342V/

11、A应用MATLAB工具箱及其SIMULINK仿真工具，按其规则，可以非常方便的绘制出控制系统的SIMULINK动态结构图以及各种仿真曲线。首先应对图2-4所示系统建立相应的数学模型，其仿真结构图如图5-1所示。图4-1 双闭环调速系统仿真结构图必须指出，该动态结构图及其仿真是在忽略系统主要部件的一些次要因素及将非线性特性视作线性的条件下做出的。例如，额定励磁下的直流电动机忽略磁化曲线的非线性；忽略晶闸管触发与整流装置的非线性并将其滞后环节近似为惯性环节等。另外，为了和工程实际情况相一致，其中ASR与ACR的参数在理论设计的基础上已作适当调整。在仿真结果中可以分别得到该系统ASR的输出与电动机的

12、转速，ACR的输出与电动机电流在启动过程中的动态特性仿真结果。3.1.2 时域分析在SIMULINK工具箱中点击启动键, scope中即可见时域响应图.。双闭环调速系统的起动过程如图52所示图42 双闭环调速系统的起动过程通过对仿真结果的分析，双闭环调速系统的工作过程可概括为如下几点:1) ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态，及饱和限幅输出与线性调节状态。2) ACR从启动到稳态运行的过程中只工作在一种状态，即线性调节状态。3) 所设计系统的电动机起动特性已十分接近理想特性。所以，该系统设对于起动特性来说，已达到预期目的。4) 对于系统的性能指标来说，从仿真图中的Scope2可知：起

13、动过程中电流的超调量为6.9%。h为5*7=35时, 转速的超调量达45.6%。h为5*12=60时，转速的超调量达30.2%。显然这一指标与理论最佳设计尚有一定差距，尤其是转速的超调量略高一些。4.1.3 存在问题分析 4.2 本章小结本章主要应用MATLAB软件对双闭环直流调速系统进行时域及频域的仿真实验，分别得出了系统的起动过程时域响应图，以及频域的BODE图。从仿真结果我们可以看到：仿真结果与理论设计具有一定的差距，比如1电流动态响应的超调量i%=6.9%(理论值为4.3%)；2转速动态响应超调量为45.6%(要求值为10%)；3 ASR与ACR的参数与理论设计值也有差距。 出现这些差

14、距的原因是由于设计方法考虑了理论分析与设计的简便性，对双闭环调速系统做了一些简化处理。这里的简化主要是将非线性问题做线性化处理.如滞后环节近似为一阶惯性。这些近似问题在仿真中并没有完全采用，而是从实际情况出发等效的,如ASR的输出就引入了饱和非线性环节。正是由于理论分析的近似与仿真实验的不完全近似才带来的结果上的差距。结 论本设计“双闭环直流调速系统的工程设计” ，对于给定的DJDK1型电力电子技术及电机控制实验装置，测定直流电动机的各项电气参数和时间常数，并应用经典控制理论的工程设计方法设计转速和电流双闭环直流调速系统，最后应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目

15、的。对于给定直流拖动控制系统在经典控制理论工程计算的基础上，在完成参数测定后，应用双闭环直流调速系统工程设计方法设计了主电路、电流环和转速环，并应用MATLAB语言中的SIMULINK工具箱对系统进行了仿真，看到了理论设计与仿真结果的差异，通过对仿真结果的分析，进一步了解了工程设计方法中的近似环节给系统带来的影响，认识到了理论设计和工程计算的不同。仿真部分，运用了MATLAB语言，掌握了语言的基本操作，并着重学习了SIMULINK工具箱。运用SIMULINK工具箱对系统进行了仿真，得到了系统的动态响应曲线及其它各种线性分析曲线。纵观整个设计，经典部分是已学过的知识，通过毕业设计深入理解了工程设

16、计方法，扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多，使我对直流调速系统的控制有了更深的认识。但由于理论水平有限，仍有许多不足之处有待解决。致 谢首先要感谢我的指导老师齐伯文老师。在他的悉心指导下，我才得以顺利的完成本次毕业设计。他从最初就为我们制定了周密科学的工作任务安排，每次都很认真的查看我们的工作日志完成情况，对于我们的提问也总给予耐心的解答。这对于我的工作，既是鼓励，又是鞭策。 我还要感谢同组的 和 同学，跟他们一起讨论相关的课题，使我的思路得以极大的开阔，并能发现自己在某些内容上的欠缺。另外，我也深深的感受到了同学间的互相帮助和友谊。这也是我顺利完成毕业设计的一大动力。还有许多在论文完成过程中给予我帮助的人，在此不一一列举了，一并表示最衷心的感谢。参考文献1 王华强. 直流电机调速系统的工程设计方法的探讨. 荆门职业技术学院学报. 2002, 7(3): 32-392 胡贞, 魏丽娜, 宋正勋. 直流电动机双闭环调速系统仿真研究. 长春光学精密机械学院学报. 2000, 23(2): 37-393 陈伯时电力拖动自动控制系统第2版机械工业出版社，2001：48-54 242876 56-57 76-864 韩璐. 直流电动机双闭环调速系