双闭环调速系统ASR和ACR结构与参数设计说明VIP

1、大学课程设计说明书学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：双闭环调速系统 ASM口 ACR结构及参数设计（3） * *学号：*指导教师：袁明靖澎王世刚成绩:双闭环调速系统ASM口 ACR吉构及参数设计（3）一.设计目的：掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流 调节器，加深对双闭环直流调速系统理解。二.设计容：在一个由三相桥式晶闸管整流装置供电的双闭环直流调速系统中，已知电动机数据如下：555kW 750V, 760A, 375r/min , Ce=1.82V - min/r,主回路总电阻R=0.14Q ,允许过载电流倍数为1.5, Ks

2、 = 75 , Tl=0.031s,T m=0.112s,电流反馈滤波时间常数 Toi =0.002s, 转速反馈滤波时间常数 Ton=0.02S,两个调节器的输入和输出最大值 都是 10V, R）=40kQo设计要求：稳态无静差；电流超调量i ?3?3X0.0017?196.1满足近似条件。3 .忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，1?=3 X ”30.112? X 0.031?=50.91? 1 ?4.电流环小时间常数近似处理条件_;z-;z： = X J-3 ? 30.0017? X 0.002?满足近似条件3.5计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图

3、如图3-6,图中Ui为电流给定电压，Id为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压Uc。 c根据运算放大器的电路原理，且已知 R0 40k，可以容易地导出:R? = ?0 = 0.888 X40?Q = 35.52? Q?0.八G? =? = ? = 0.87 X 10- 6?= 0.87?35.52 X103C? = 4? = 4 * 0.002 ? = 0.2 x 10- 6? = 0.2? ?040 X103IUi图3-6含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器按照上述参数：R ?= 35.52?Q, C?= 027?, C ? = 0.87?,电流环 可以达到的动态跟随性

4、能指标为i 4.3% 5% （见表3-2）,满足以上要求。第四章转速调节器的设计4.1 电流环的等效闭环传递函数电流环经化简后可视作转速环中的一个环节，为此需要求出它的闭环传递函数WCMs),由图3-4可知：Wcli (s)Id(s)Ui(s)/Kis(TiS 1)1Ki(4-1)忽略高此项，WCMs)可降阶近似为:Wcii(s)(4-2)11 一 sKi接入转速环，电流环等效环节的输入量应为 Ui(s),因此电流环在转速环中应等效为:Id(s)Wcii(s)Ui (s)K;s 1(4-3)这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象， 经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数1/Ki的一阶惯

5、性环节。这表明，电流的闭环控制改造了控制 对象，加快了电流的跟随作用。4.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图2-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结 构框图如图4-1所示。图4-1用等效环节代替电流环和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环，同时将给定信号改成Un(S)/ ,再把时间常数1/ Ki和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T n的惯性环节，其中Tn Ton，则转速环结构框图可化简成 Ki图 4-2。图4-2等效成单位负反馈和小惯性的近似处理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节， 它应该包因此转速环开这

6、样的系统同时含在转速调节器中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节, 环传递函数应共有两个积分环节， 所以应该设计成典型n系统， 也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的 计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：Wasr(S)Kn( nS 1)ns(4-4)式中 Kn转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数Un(S)Kn( ns 1) n(s)S2(TnS 1)图4-3校正后成为典型n系统这样，调速系统的开环传递函数为:Wn(S)Kn( ns DR/令转速环开环增益K N为:nsWn

7、(S)CeTmS(TnS 1)Kn RC T n e 1 mKn( ns 1)-2 s (T ns 1)在典型II系统的开环传递函数中，时间常数数有K和。为了分析方便，引入一个新的变量Kn R( ns 1)n CeTms2(Tns 1)T是控制对象固定的,(4-5)(4-6)待定的参(4-7)L/dBh40dB/dec k2c2c图4-4典型n系统的开环对数幅频特性和中频宽由图可见，h是斜率为20dB/dec的中频段的宽度，称作中频宽。由于中频 段的状态对控制系统的动态品质器决定性的作用，因此h是一个很重要的参数。在一般情况下， 1点处在 40dB/dec特性段，由图4-4可以看出20lgK

8、40(lg i lg1) 20(lg c 1g i) 20lg 1 c 因此K i c(4-8)在工程设计中，如果两个参数都任意选择，工作量显然很大，为此采用“振 荡指标法”中的闭环幅频特性峰值 Mr最小准则，可以找到h和c两个参数之间 的一种最佳配合。这一准则表明，对于一定的h值，只有一个确定的c可以得到小的闭环幅频特性峰值Mrmin,这时c和1,2之间的关系是(4-9)2hh 1(4-10)以上两式称作M ,准则的“最佳频比”，因而有2h c c(5-11)c 12(1 11-(-)2 T确定h之后根据式（4-7）和式(4-11 )即可分别求得和c。根据（4-8）和（4-11 ）可得2h

9、112/ 1 2 h 1 h 1(hT) -2- 2h2T2(4-12)由式（4-12）可知转速环开环增益Kn为Knh 12h2Tj(4-13)因此Kn(h 1) Ce%2h RTn(4-14)4.3 转速调节器的参数的计算1?3?已知KIT i 0.5, T i 0.0037s,则电流环等效时间常数:=2?二?？= 2 X 0.0037?= 0.0074?已知Ton 0.02S ,则小时间常数近似处理的时间常数为:1Te ?= k+ ?= 0.0074?+ 0.02? = 0.0274? ?按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h 5,则的超前时间常数为：r ?= ?二?？= 5 X 0.027

10、4?= 0.137?由式（4-13）可知转速环开环增益为：?+ 16一 2一 22?2?2 - 2 X 52 X 0.02742 ? = 159.84?由（4-14）可知ASR的比例系数为:10.5(?+ 1) ?6 X 0.0088 X 1.82 X 0.112K? = =2?为?2 X 5 X 0.0267 X0.14 X0.02744.4 校验近似条件由式（4-12）可知转速环的截止频率为:?=?- 1k = ? = 159.84 X 0.137?1=21.9?1.电流环传递函数简化条件为:1?1/135.1= xV?-3 ?”30.0037=63.7?-1 ?满足简化要求。2.转速环小

11、时间常数近似处理条件1、/? =1X3 ? = 3理?-0.02 .11 = 27.4 ?满足近似条件。4.5 计算调节器电阻和电容RnCnnConUi图4-5含给定滤波与反馈滤波的 PI型转速调节器根据图4-5,已知R0 40k ,则R?= ?0 = 10.39 X40?。= 436? Q?0.137C?= ?= 3?= 0.314X10-6?= 0.314?436 X 1034?4 X0.02RC? =?. = 40 x03?= 2X10-6?= 2?4.6 校核转速超调量当h 5时，由表4-1,37.6%,不能满足设计要求。实际上，由于表 4-1是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，AS

12、R饱和，不符合线性系统的前提， 应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表4-1典型n系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定参数关系）h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111第五章转速调节器退饱和时转速超调量的计算计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法来处理。 当ASR饱和时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电压 Um,如果忽略电流环短暂的跟随过程，其

13、输出量也基本上是恒定值Idm,因而电动机基本上按恒加速度起动，其加速度为(5-1)四(I dt这个加速过程一直延续到t2时刻nn时为止。取式（5-1 ）的积分，得t2CeTm n(I dmIdL)R(5-2)考虑到Kn (h D CeTm和Un2h RTnn , Uim Idm,则t2 SUKnUim1nTIdL n(5-3)4-1。描述ASR退饱和后，转速环恢复到线性围运行，系统的结构框图见图系统的微分方程和前面分析线性系统的跟随性能时相同，只是初始条件不同了。分析线性系统跟随性时，初始条件为n(0) 0, Id(0) 0讨论退饱和超调时，饱和阶段的终了状态就是退饱和阶段的初始状态， 只是把

14、时 间坐标零点从t 0移到t t2时刻即可。因此，退饱和的初始条件是n(0) n ， Id(0) I dm由于初始条件发生了变化，尽管两种情况的动态结构框图和微分方程完全一 样，过渡过程还是不同的。因此，退饱和超调量并不等于典型R系统跟随性能指 标中的超调量。当ASR选用PI调节器时，图4-1所示的调速系统结才框图可以绘成图5-1。由 于感兴趣的是在稳态转速n以上的超调部分，即只考虑 n n n ,可以把初始条件转化为n（0） nId(0) Idm。由于图5-2的给定信号为零，可以不画，而把 n的反馈作用反馈到主通道 第一个环节的输出量上，得到图5-3。为了保持图5-3和图5-2各量间的加减关

15、 系不变，图5-3中的Id和IdL的+、-号相应的变化。图5-1调速系统的等效动态结构框图以转速n为输出量IdL（S）图5-2调速系统的等效动态结构框图以转速超调值n为输出量IdL（S）图5-3调速系统的等效动态结构框图图5-2的等效变化可以把退饱和超调看作是在Id Idm的负载下以n n稳定运行，在t t2时刻 负载由Idm减小到IdL ,转速产生一个动态速升与恢复的过程。 可利用表5-1给出 的典型n系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量，只要注意 n的基准值即可。表5-1典型n系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cmax/Cb72.2%77. 5%81.2%84.0%86.3

16、%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85(5-4)在典型n系统抗扰性能指标中，C的基准值的为Cb 2FK 2T可知 K2 CeTmTnIdm IdL所以n的基准应是nb2RT n(Idm IdL)CeTm(5-5)令 表示电机允许的过载倍数，即I dmI dNz表示负载系数，IdL ZIdN , nN为调速系统开环机械的额定稳态速降,nN5R,代入（5-5）,可得Cenb 2(z) nNTn Tm(5-6)作为转速的超调量n,其基准值应该是n ,

17、因此退饱和超调量可以由表5-1列出的Cmax/Cb数据经基准值换算后求得，即(5-7)Cmax)nbCTn2()(z) nN Tn 丁工设理想空载起动时 z 0 ,已知电机允许的过载倍数1.5, R 0.14,IdN 760 A, nN 375r/min , Ce 1.85V min/ r , Tm 0.112s, T n 0.0274s。当h 5,由表5-1查得Cmax/Cb =81.2%,将数据41入式（5-7）,可得(T ?=?(? )? = 2(? ?-pv?r)(?- ?)? ?E? 7?r?760 X0.141 820.0274X81.2%X 1.5 X12X- = 9.25% 1

18、0%3750.112能满足超调量的要求第六章系统仿真6.1 simulink仿真框图2-1以及AenKPS图据根JenKPS1enKes本设计运用Matlab的Simulink来对系等进行拟仿真上面计算的系统参数，可以建立直流双闭环调速系统的动态仿真模型，如下图所dj20uoneonuoaF afm-IrpKrnncb.pofpD1n-orpvasIPnQun3xcoOOOMtnFIPdonMhcnyQXUQ5 enarovrDQMMhcaMrD-AcqccmzbFc+A7eDncsSB;sUOHMUTnoQWPHP-krxuBaaQHhas eoaTOV PDa mmpnayp QsaHDL

19、eorft cBA9enKPSKPDe enaHTOV6.2仿真结果12002001000800600400rne-al4rfi图6-1电枢电流波形250-5002001501005000.511.522.533.544.5205204203202201200199198197196图6-2转速波形3.33.43.53.63.73.83.9图6-3转速波形局部放大图6.3仿真分析根据ASM饱和，饱和，退饱和，可将整个双闭环调速过程分成三部分：第1阶段（0-0.3s ）是电流上升阶段由上图可以看出，在这一阶段电流急剧上升，在电流上升至负载电流760A时,电动机开始转动，但由于机电惯量的原因，电动机转速不会很快增长：在电流上升 到限定值时，电流调节器很快就压制了电枢电流的增长。第2阶段（0.3-3.5S ）是恒流升速阶段由上图可以看出，电流保持恒定，转速线性增长，这是因为转速调