电力拖动自动控制系统课程设计题目

1、一、设计题目：双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。二、已知条件及控制对象的基本参数：(1) 已知电动机参数为：Pn°m=3kW，Unom=220V， ln°m=17.5A，%m=1500r/min，电枢2 2绕组电阻Ra=1.25i I ,GD =3.53 N m。采用三相全控桥式电路， 整流装置内阻FUc=13。平波电抗器电阻 R =0.30。整流回路总电感 L=200mH。(2) 这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出Uim =-8V , ACR限幅输出U ctm =8V，最大给定Unm=10V，调速范围D=20

2、 ,静差率s=10%，堵转 电流I dbl =2.1 I nom，临界截止电流I dcr =2 I nom。(3 )设计指标：电流超调量S j%乞5%，空载起动到额定转速时的转速超调量S 10% ,空载起动到额定转速的过渡过程时间ts乞0.5。三、设计要求(1) 用工程设计方法和西门子调节器最佳整定法*进行设计，决定ASR和ACR结构并选 择参数。(2 )对上述两种设计方法进行分析比较。(3) 设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图(4) 利用 matlab/simulink进行结果仿真。*为可选作内容四、设计方法及步骤：I用工程设计方法设计(1)系统设计的一般原则：直流双闭环

3、调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)，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。按照设计多环控制系统的先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器， 然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图1双闭环直流调速系统的稳态结构图一转速反馈系数；：一电流反馈系数(2) 主电路的主要参数的计算1)U2U2.34cos 00.9（1 1.2）=114.9V1. 10（ 2）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，这里取电流环设计2）电动势系数:Ce 二Un

4、nR 二 2207.5 125 = 0.132V mi n/rnN1500303） 转矩系数：CmCe=1.26kgm/Aji4） 由题意得，平波电抗器电阻Rl =0.3 '15 )机电时间常数:GD2 R375 CeCm3.530.3 二375,0.1322 30-0.169s(3) 电流环调节器的参数计算1) 确定时间常数a.整流装置滞后时间常数Ts。通过查表得，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。b. 电流滤波时间常数 To,。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) Toi =3.33ms，因此取 Toi =2ms=0.002s。c.

5、电流环小时间常数之和Ty。按小时间常数近似处理，取T、j = To + Ts =0.0037s。选择电流调节器结构取电流时间常数T|=0.03s根据设计要求S i%辽5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为Kgs+1)Wacr(S)-2检查对电源电压的抗扰性能：卫 二牆h =8.1，通过查表典型I型系统动态干0扰性能，各项指标都是可以接受的。2)选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数：* =T = 0.03s电流环开环增益：要求 S匚冬5%时，按典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表格，取KT =

6、0.50,即KITi =0.5s，因此K| =0.5/Ti =0.5/0.0037=135.1 SK T R于是，ACR的比例系数为3応其中Ks为晶闸管的内置放大系数，设其为30:为电流反馈系数:七品心721R为电枢回路的总电阻，设其为 2.85 '1计算得心0迟KsP135.1 0.03 2.8530 0.2721= 1.41根据上述参数可以达到的动态指标为3) 校验近似条件电流环截止频率：Ci = K| =135.1 s 4a. 晶闸管整流装置传递函数的近似条件I4196.1s 心 3 0.0017sb. 忽略反电动势变化对电流动态影响的条件=133.23 : ；：, cic. 电

7、流环小时间常数近似处理条件满足近似条件查表可得，设计后的电流环可以达到动态指标查表可知 求。4）计算调节电阻和电容取 R1= R2=R3=R4=40k，各电阻和电容值为、:=4.3%<5%，满足设计要R =KjR0 =1.41*40=56.4k 门G - =5040uFRCoi =4T°L0.2uFR0按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 综上所述电流环（ACR ）调节器的传递函数为：:.=4 .3%<5%，满足设计要求。WACR ( S)Kj(ts+1)_1.41 (0.03S+1)iS0.03s（4）转速调节器设计与参数选择转速调节器电路设计含给定滤波与反

8、馈滤波的 PI型转速调节器如下图所示GNDGND其中Ui为电流给定电压，一：Id为电流负反馈电压，+15V为电力电子变换器的控制电压。1) 确定时间常数 1a. 电流环等效时间常数2Ti = 20. 003670. s0 0 7 4K|b. 转速滤波时间常数，根据所用的测速发电机波纹情况，取Ton=0.01s1c. 转速环小时间常数，T、nTOn =0.0074 0.01 = 0.0174s Ki2) 选择转速调节器结构3) 按照设计要求无静差，故选用PI调节器考虑动态性能要求，按典型系统II设计系统按典型II型系统设计。其传递函数为:R0(卄KE(严 FnSCeTmS(TnS 1)仁 CeT

9、m(T nS 1)4) 选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取中频宽H=6,则a. ASR 的超前时间常数r 二 HTn =6 0.0174 = 0.1044sh + 16+1/b. 转速开环增益：Kn 2 22 = 321.12s2h2Tf2 汇 36江 0.01742C.转速反馈系数： =Um-nmax卫0.0067V _min/ r1500d.ASR的比例放大系数为:/(h+1)0CeTm7x0.2721x0.132x0.0169Kn :2h- RTn2 6 0.0067 0.3 0.017<1045) 校验近似条件K转速环截止频率-.cnN = KN .321.12

10、0.1044 =33.5249s，a.转速环小时间常数近似处理条件为320%3； 2 0.0037 °.。严6宀宀曲b.电流环传递函数简化为:1 154.05sc32.52s50Cn6) 计算调节器电阻和电容取R0=40门Cn亠迪=257uFRn 404.96ConR040 10综上所述,ASR转速调节器的传递函数为:二 KnR0 =10.124 40 =404.96Wacr(s) 3 一 10.124( 0-1044s+1)0.1044 s” nsKna R"n s +1)10.124X 0.0067k 0.3( 01044s+1)Wn(s)= n -CeTms2(Tns

11、 1)=0.1044 0.2721 0.132s2(0.0174s 1)0.0021s 0.020.000065s3 0.0037s2_0.21s + 2一 0.0065s3 0.37s2五、MATLAB仿真Simulink仿真，所设计系统的结构图为:结果为:计算得：S i %=2.7%空5%，符合条件。六、设计心得：通过本次课程设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制 系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。 在课程设计过程中， 我都按照自动控制系统课 上学到的设计步骤来做， 首先熟悉系统的流程，进行分析，确定每个模块即电流环调节，和 速调节的设计方法，最后设计总体方案

12、。通过查资料选取适当的硬件，运放选择OPO7,画出对应的电路图， 各部分的功能模块通过计算，得到其传递函数。通过传递函数我们在 simulink中进行仿真，把电路连好设定好参 数就可以进入参数调试，仿真。由于simulink不是很熟悉，在仿真过程中我遇到了很多的难题，通过请教对matlab比较熟悉的同学，我克服了很多困难圆满完成这次设计。但是，通过设计我也明白了一点，我们上课所学到的知识在做本设计时是远远的不够的，只是设计的一点皮毛而已。平常我们应该扩大自己得知识面。经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，这次课程设计是我的一笔很大的财富。在今后的学习中，我会更加全面的思考问题，能够有效的解决遇到的问题。七、参考文献1. 王兆安，等电力电子技术M.北京：机械