直流电动机的转速调节器和电流调节器设计毕业设计

1、宁夏理工学院毕业设计摘要 转速、电流双闭环控制的直流调速系统是性能很好的直流调速系统，更是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统，它具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以在电力传动系统中得到了广泛的应用。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路，调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本论文首先确定整个设计的方案和框图；然后确定主电路的参数以及框图中所需的电动机参数；本论文的重点设计是直流电动机的转速调节器和电流调节器的设计，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，在直流调速系

2、统起动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，只要转速负反馈，二者之间实行串级联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速和电流两个调节器都采用pi调节器，这样构成的双闭环直流调速系统就能获得良好的静、动态性能。最后采用matlab/simulink对整个调速系统进行了仿真分析，使其满足工程设计参数指标。关键词：电力传动；双闭环；直流调速系统；电流调节器；转速调节器abstractspeed, current double closed loop control of dc speed regulation system is a

3、 very good performance of the dc motor speed control system, is also a kind of wide applications, economic, applicable to electric drive system, it has a wide speed range, high precision, good dynamic performance and easy to control, is all kinds of ac, dc electric drive automatic control system imp

4、ortant basis, so in electric drive automatic control system has been widely used. based on the design of the subject, the dc motor speed controller, the speed, current double closed loop speed control circuit, control systems main circuit adopts a three-phase full-bridge controlled rectifier circuit

5、 to supply power. this paper firstly determine the whole design scheme and block diagram; then to determine the parameters of the main circuit and the block diagram of the desired motor parameters; the focus of this paper is the design of dc motor speed regulator and current regulator design, respec

6、tively, to adjust the speed and current, which are respectively introduced into the speed negative feedback and current negative feedback, in dc control system start process only the current negative feedback, to achieve steady speed, as long as the speed negative feedback, two between implementatio

7、n of cascade connection. from the closed loop structure, the current loop on the inside, known as the inner ring; the speed loop outside, called outer ring. this form of speed, current double closed loop speed regulation system. speed and two current regulators have adopted pi regulator, the dc doub

8、le loop speed control system can obtain good static, dynamic performance. finally using the matlab / simulink on the speed regulation system simulation and analysis are carried out, in order to meet the engineering design parameters.key words: power transmission；double closed loop；dc speed control s

9、ystem；current regulator；speed regulator目录摘要iabstractii目录iii第1章 绪论- 1 -1.1 课题的背景、目的及意义- 1 -1.2 课题研究的现状和发展趋势- 1 -1.3 本课题采用的技术方案及技术难点- 2 -1.4 本设计的主要研究内容- 3 -1.4.1 建立系统的数学模型- 3 -1.4.2 经典控制部分- 3 -1.4.3仿真部分- 3 -第2章 双闭环调速系统的工作原理及数学模型- 4 -2.1 系统的参数测定- 4 -2.2 双闭环调速系统的工作原理- 6 -2.2.1 转速控制的要求和调速指标- 6 -2.2.2 调速系

10、统的两个基本矛盾- 7 -2.2.3 调速系统的双闭环调节原理- 8 -2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析- 9 -2.2.5动态性能和转速、电流两个调节器的作用- 11 -2.3晶闸管电动机主电路的设计- 12 -2.4 主电路参数计算- 13 -2.5 主电路的过电压和过电流保护- 14 -2.5.1 过电压保护- 14 -2.5.2 过电流保护- 14 -第3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- 15 -3.1设计要求- 15 -3.1.1基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）- 15 -3.1.2 设计指标- 16 -3.1.3 工程设计方法的基本思路-

11、 16 -3.2电流调节器额定设计- 17 -3.2.1电流环动态结构图的简化- 17 -3.2.2电流调节器结构的选择- 18 -3.2.3 电流调节器参数的计算- 19 -3.2.4电流环的动态性能指标- 20 -3.3转速调节器的设计- 21 -3.3.1电流环的等效闭环传递函数- 21 -3.3.2转速环的动态结构图及其近似处理- 21 -3.3.3 转速调节器结构的选择- 22 -3.3.4 转速调节器参数的计算- 24 -3.3.5 转速环的抗扰性能指标- 26 -3.4电流环、转速环开环对数幅频特性的比较- 27 -第4章 调速系统性能指标的数字仿真- 29 -4.1 基于工程设

12、计的数字仿真- 29 -4.2 时域分析- 30 -参考文献- 31 -结束语- 32 -致谢- 33 - 34 -第1章 绪论1.1 课题的背景、目的及意义20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。许多生产

13、机械，由于加工和运行的要求，电动机经常处于起动，制动，反转的过渡过程，严重制约了生产效率。为了缩短这部分时间，仅采用pi调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由速度，电流两个pi调节器综合调节，可获得良好的静态、动态性能。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统，更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、抗干扰能力强等优点，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。转速、电流调节器分别引入

14、转速负反馈和电流负反馈，二者实行串级联接，采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程实现快速起动，达到稳态转速后，只需要转速负反馈作用。两个调节器组成的双闭环的调速系统具有良好的静、动态性能和抗干扰能力。如果对系统的动态性能要求较高，例如快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统是不能满足要求的。在我国许多工业部门的电力拖动场合仍然采用直流双闭环调速系统。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，并应用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的。1.2 课题研究的现状和发展趋势就目前

15、来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，计算机和直流双闭环调速系统的结合体具有工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能给用户的使用、维护提供极大方便。趋势：近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，高性能的交流调速系统发展很快，直流电动机的缺点日益显露，交流可调拖动势必会取代直流可调拖动系统，交流调速取代直流调速后，直流与交流共存。1.3 本课题采用的技术方案及技术难点根据本课题

16、的实际情况，宜从以下三个方面入手分析：1直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型2双闭环直流调速的工程设计3应用matlab软件对设计的系统进行仿真和校正本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流

17、成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。1.4 本设

18、计的主要研究内容1.4.1 建立系统的数学模型分析双闭环调速系统的工作原理，列写双闭环调速系统各环节的传递函数，并画出其动态结构图。 1.4.2 经典控制部分首先了解双闭环直流调速系统的基本原理，然后应用工程设计方法，分别进行主电路、电流环和转速环的设计,并应用matlab语言中的simulink工具箱对系统进行仿真。 1.4.3仿真部分简单介绍matlab语言及simulink工具箱，重点运用simulink工具箱对系统进行仿真,获得系统的动态响应曲线及其频率特性曲线。结合曲线对由不同方法设计出的调速系统的性能进行比较研究，从而得到性能指标较为理想的系统模型。并尝试性地提出改进方案。第2章

19、双闭环调速系统的工作原理及数学模型2.1 系统的参数测定 在画出系统的方块图，进行调节器的设计之前，必须先要求出传递函数有关的各个参数，这是很重要的一步。若参数不对或不正确，调节器的计算那就必然是不合要求的。在方块图中涉及到电动机的有四个参数：机电时间常数,电气时间常数，电枢（包括可控硅整流器等其它部分）内阻和电势常数。为了便于说明调节器的设计、计算起见，我们先选定一种直流电动机，它的铭牌参数：额定功率=22kw,额定电压=220v,额定电流=116a，额定转速=1500r/min,电枢内阻。包括其它部分后，电枢回路内阻可测得为.电枢回路（包括所串滤波器、电抗器等）总电感量（实测）。由此出发我

20、们来计算方块图中所需的电动机参数。1电气时间常数 2 由电势平衡方程（静态）得，电势常数由电机原理可知，和仅差一常系数，3内阻,这是实际测量的。4机电时间常数，为求它还需测量电机的转动惯量。由力矩平衡方程当匀速时，。因此 。将电动机的供电断开，即=0，则t=0，得 整理后得 实验测量时，先将电机上加一定电压，达到均速后，记下此时转速和电枢电流，然后切断电枢供电，测出此时的dn/dt，即可求得。若摩擦力是均匀的，则测dn/dt可如图2.1a，否则按图2.1b计算。(a)摩擦力均匀情况 （b）摩擦力不均匀情况图2.1 自由停车曲线及再求得后，按下式代入数据后，可得5 测定触发和整流装置的放大倍数k

21、s在按线性系统规律进行分析和设计时，应该把这个环节的放大系数ks当作常数，但实际上触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似成线性环节。因此，最好应用实验方法测出该环节的输入输出特性，即. 设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围内，并有一定的余量，调节放大系数ks可由工作范围内的特性斜率决定 经实验测得ks=40 uductuduct调速工作范围图2.2 晶闸管触发与整流的输入输出特性和ks的测定2.2 双闭环调速系统的工作原理2.2.1 转速控制的要求和调速指标生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调

22、速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标1）调速范围d 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即 （式2.1）2） 静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 （式2.2）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。3） 跟随性能指标 在给定信号r（t）的作用下，系统输出量c(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间，超调量，调节时间.4）抗扰性能指标 此项指标

23、表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间.2.2.2 调速系统的两个基本矛盾在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即1 动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；2起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾。采用转速负反馈和pi调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则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中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机

24、最大电流受限的条件下，希望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为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，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2.3a所示。nidnidlt0idl a b图2.3 调速系统启动过程的电流和转速波形a 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 b 理想快速启动过程

25、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。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,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,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图2.2b所示,起动电流呈方形波,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启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2.2b所示的

26、理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。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,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。2.2.3 调速系统的双闭环调节原理如图2.4图2.4 双闭环调速系统的原理框图图2.5 双闭环调速系统的结构框图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.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；转速调节环

27、在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用pi调节器，转速调节器asr的输出限幅电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器acr的输出限幅电压是，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。从起动时间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱

28、和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带pi调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。其起动过程波形如图2.6所示。图2.6 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形从图2.6知,整个起动过程分为三个阶段：第i阶段是电流上升阶段。突加给定电压un*后,通过两个调节器的控制作用,使、都上升，当后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器asr的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流id迅速上升。当时，电流调节器的作用使i不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr由不饱和很快达到饱和，而acr一般应该不饱和，以保证电流

29、环的调节作用。第ii阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中asr始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流id恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。第iii阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值uim*，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，asr的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及acr的给定电压立即从限幅

30、值下来，主电流也因此下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升。到时，转距，则，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一小段小于的过程，直到稳定。综上所述，双闭环调速系统有如下三个特点： 1）饱和非线性控制：随着asr的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当asr饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统，当asr不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为不同结构的现行系统，这就是饱和非线性控制的特征。 2）准时间控制：启动过程中主要阶段是第ii阶段，即恒流升

31、速阶段。它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能更快。这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。 3）转速超调：由于采用了饱和非线性控制,启动过程结束进入第iii阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照pi调节器的特性，只有使转速超调，asr的输入偏差电压为负值，才能使asr退出饱和。这就是说，采用pi调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。2.2.5动态性能和转速、电流两个调节器的作用一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。 1动态跟随性能。双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流

32、受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。2动态抗扰性能 （1）抗负载扰动。负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，必须在设计asr时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于acr的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。 （2）抗电网电压扰动。电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。单闭环调速系统中，电网电压扰动和负载电流扰动

33、都作用在被负反馈环包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上的差别。负载扰动作用在被调量的前面，它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器asr上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭

34、环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为1转速调节器的作用：1）使转速跟随给定电压变化，稳态无静差；2）对负载变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定电动机允许的最大电流。2电流调节器的作用：1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压（即外环调节器的输出量）变化；4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。2.3晶闸管电动机主电路的设计 晶闸管-电动机调速系统（v-m系统）主电路

35、原理图如图2.7所示：图2.7 v-m系统主电路原理图图中vt是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图2.8所示：图2.8 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置gt的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。2.4 主电路参数计算 （式2.3），取其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。 （式2.4） （式2.5）2.5 主电路的过电压和过电流保护2.5.1 过电压保护1 交流侧过电压保护：用压敏二极管抑制事故过电压。2 直流侧过电压保护：利用电阻和电容吸收操作过电压。2.5.2 过电流保护 每个桥臂串个快速熔断

36、器。第3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 pn=22 kw un=220v in=116 a =1.5 cm=1.318 kg.m/a（2）整流装置 三相全控桥式整流电路 ks= =40 ts=1.7 ms（3）电枢回路总电阻 r=0.32（4）电枢回路总电感 l=37.22（5）系统时间常数 0.116 s tm=0.157 s（6）

37、反馈滤波时间常数 =0.002 s ton=0.01 s（7）调节器最大给定电压 u*nm=10v u*im=8 v（8）调节器输入回路电阻 3.1.2 设计指标 （1）负载：恒转矩负载（2）起动方式：空载起动到额定转速， （3）性能指标： 1）调速范围：d10 2）静差率： 3）电流超调量 4）转速超调量 5) 突加负载的动态速降 6）恢复时间t1.5秒3.1.3 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。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

38、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一下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量。3.2电流调节器的设计3.2.1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

39、。实际系统中的电磁时间常数一般远小于机电时间常数，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，比反电动势的变化快得多。反电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不变，即。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，和一般比小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取a)b)图3.1 电流环的动态结构图及其化简3.2.2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

40、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，且对电网电压波动的抗扰作用只是次要因素，所以电流环应以跟随性能为主，,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。图3.1c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，应采用pi型的电流调节器，其传递函数为 (式3.1)式中电流调节器的比例系数电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：，参照

41、典型i型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择= , 则电流环的动态结构图可以化简为图3.2所示的典型形式，其中图3.2 电流环简化成典系统3.2.3 电流调节器参数的计算1.确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为。2）电流滤波时间常数。三相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）=3.33ms，因此取。3）电流环小时间常数之和。2.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，应取，因此acr的比例系数为3.检验近似条件电流环截至频率：机电时间常数1） 晶闸管

42、整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。3） 电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。4.计算调节器电阻和电容由图3.3，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取，取，取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。uc-idu*i图3.3 含给定滤波与反馈滤波的pi型电流调节器3.2.4电流环的动态性能指标1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: (式3.2)l()=20lgki-20lg-20lg(1+ti22) (式3.3)()=-90o-tg-1ti (式3.4)()=90o-tg-1t

43、i (式3.5)根据典型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=135.1因此 ()=-90o-tg-1ti=-116.6o (ci)=180-()=63.4o2跟随性能指标 电流超调量 i%=4.3%5% 上升时间 超调时间 调节时间 3.3转速调节器的设计3.3.1电流环的等效闭环传递函数在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。为此，需求出它的等效传递函数： (式3.6) (式3.7)近似条件: (式3.8)式中为转速环开环频率特性的截止频率,其一般较低。在后续计算完成后

44、,需校验此近似条件。3.3.2转速环的动态结构图及其近似处理用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如3.4（a）所示。把转速给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为u*n(s)/；再把时间常数为和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，且= +，则转速环结构图可转化成图3.4（b）。b)图3.4 转速环的动态结构图及其近似处理3.3.3 转速调节器结构的选择1转速调节环选用典型型系统的原因1) 系统在负载扰动作用下，动态速降要小。2) 饱和非线性性质使超调量降低。 3) 转速环基本上是恒值系统。2 典型型系统参数和性能指标的关系为了分析

45、方便起见，引入一个新的变量h，令 (式3.9)h是斜滤为-20db/dec的中频断的宽度(对数坐标)，称作“中频宽”。由于中频段的状况对控制系统的动态品质起着决定性的作用，因此h只是一个很关键的参数。一般情况下，=1点处在特性段，由图3.5可以看出因此 (式3.10)从图还可看出，由于t一定，改变就等于改变了中频宽h；在确定以后，再改变k相当于是开环对数幅频特性上下平移，从而改变了截止频率c。因此在设计调节器时，选择两个参数h和，就相当于选择参数和k。-40db/dec 图3.5 典型型系统的开环对数幅频特性和中频宽由“振荡指标法”中所用的闭环幅频特性峰值最小准则，对于一定的h值，只有一个确定

46、的 (或k)，可以得到最小的闭环幅频特性峰值，这时和1，2之间的关系是 2/c = 2h/(h+1) (式3.11) c/1 = (h+1)/2 (式3.12)而 1+2 = 2c/(h+1)+2hc/(h+1)=2c 因此 =(1/2)(1+2)=(1/2)(1/+1/t) (式3.13)对应的最小m峰值是 (式3.14)确定了h和以后,可以很容易的计算和k。由h的定义知 (式3.15) (式3.16)3.3.4 转速调节器参数的计算要把转速环校正成典型型系统，asr也应采用pi调节器，其传递函数为 (式3.17)式中 kn转速调节器的比例系数; n转速调节器的超前时间常数 调速系统的开环传

47、递函数为令转速环开环增益为 (式3.18)则 （式3.19）1.确定时间常数1）电流环等效时间常数：2）转速滤波时间常数： 3）转速环小时间常数： 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，则asr的超前时间常数为转速开环增益： asr的比例系数为：4.检验近似条件转速环截止频率： 1）电流环传递函数简化条件为满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为满足简化条件。5.计算调节器电阻和电容取，则，取，取，取u*nu*i-n图3.6 含给定滤波与反馈滤波的pi型转速调节器6.校核转速超调量 当时，不能满足设计要求

48、。由于上述是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，asr饱和，不符合线性系统的前提，应按asr退饱和的情况重新计算超调量。7. 按asr退饱和重新计算超调量过载倍数当h=5时，查典型型抗扰性能指标表得能满足设计要求。3.3.5 转速环的抗扰性能指标1）突加负载的动态速降指标：因为有，所以 （式3.20）因此 （式3.21）满足设计要求。2) 恢复时间指标：根据“典型型系统抗扰性能指标与参数关系”表，当h=5时，而所以，满足设计要求。3.4电流环、转速环开环对数幅频特性的比较 图3.7 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性i电流内环 n转速外环从计算过程可以看出，这样的排列次序是必然的。这样

49、设计的双闭环系统，外环的响应一定比内环慢，这是按上述工程设计多环控制系统的特点。这样做虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。第4章 调速系统性能指标的数字仿真4.1 基于工程设计的数字仿真在第3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 =116a =1500r/min =0.138v/rpm； 主回路总电阻： =0.0017s =0.002s =0.116s =0.01s tm=0.157s；反馈系数：=0.0067v/rpm =0.046v/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2.5所示系统建