电拖课程设计

1、武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六）1设计原理系统设计的一般原则:按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，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。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图 1.1所示，它有电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的 输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常 数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号

2、的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数 的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二 者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。图1.1双闭环调速系统的动态结构框图142设计方法及步骤2.1电流反馈系数P和转速反馈系数a计算U nm102000.05 V ? m in /rU imI N1023 .71 .352.2设计电流调节器Tm、T|、Tm、Tm其大小关系是:2.2.1电流环的化简在电流环中存在四个与之相关的时间常数：T小施一般情况下，电枢时间常数 TI要远小于机电时间常数Tm所以对于电流环来说反电势是一个较慢的扰动，可

3、以认为在电流瞬时变化时反电势基本不变，则电流环可化简为如图2.1所示:a)进一步简化为:b）图2.1电流环的等效框图a）忽略反电势的动态影响b）小惯性环节的近似处理其中Toi和Ts按小惯性群近似处理，T iTs Toi，为保证稳态时电流无静差以得到理想的堵转特性，同时从动态上看要求转矩快速跟随扰动，以保证转速稳定。所以内环 应以速动性为主，即选择I型系统。由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为WacR(S)Ki( iS 1)iS(2-1)为了消除控制对象大时间惯性环节，选择：i Tl °.

4、6;15s则电流环动态结构框图可化简后如图2.3所示的典型形式:K|其中KKsiR ，然后按典型的I型系统的动态性能指标选取 K|Ti的值，从而得到(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件：一般近似取3Ts大于截止频率,但实际条件是1 1ci2-24Ts大于截止频率：2-24Ts忽略反电势对电流环的影响的条件:(2-2)ci(2-3)电流环小惯性群近似处理的条件:1 pv3VTci(2-4)2.2.2电流环等效环节闭环传递函数电流环经过上述的简化后闭环表达式可写成:Id(s)Wcii Ui/K|T iS2 s K| T i 2sK|11s 1K|(2-5)忽略高次项，则Wcil (s)可简化为:

5、Ki值，进而确定调节器的参数。以上推倒假设校验条件如下：(ci为电流环的截止频率)1K I则接入转速环的电流等效环节为:Wcii(2-6)1 U ( S) W cli ( S )U i(2-7)2.2.3时间常数确定晶闸管滞后时间常数Ts的大小与整流电路形式有关，本题采用的是单相桥式整流电路， 单相桥式晶闸管整流电路的平均后时间 TS=0.001S,取电流反馈滤波时间常数，电流滤波时间常数：Toi 0.001s可得电流环小时间常数之和：T i Ts Toi °.°°2S224电流调节器结构选择和参数计算根据设计要求，电流超调：% 5%，并保证稳态电流无差，故选用I

6、型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性环节，因此可用PI电流调节器，将其校正成I型系统 参数计算:WRS设电流调节器比例积分传递函数为:K(iS 1)is 其中 i Tl0.015s电流环要求 % 5%时，查附表1可得，应取K" i 05因此:亜 250si0.002Ki于是，ACFfe流调节器的比例系数为:K| iRKs250 0.015 84.634.8 1.352.2.5校验近似条件电流环截止频率为：ci K| 250rad /S晶闸管整流装置传递函数的近似条件:1 1一般近似取阮小于截止频率,元1厂而333.3ci满足近似条件忽略反电势对电流环的影响的条件:3王 3 V

7、0.2 0.01554.77ci满足近似条件电流环小时间环节近似处理的条件:1 I丄1333.33YTsToi3 V 0.001 0.001ci满足近似条件226电流调节器的电阻电容的选择运算放大器的输入电阻为：R040K各电阻电容值为:RiKi Ro 4.63 40K185.2K 取 R190KCii 0.015Ri190 103F 0.079 F取 Ci 0.1Coi4Toi4 0.001 F3厂 R040 1030.01 F取 Coi O.O1 F2.3设计转速调节器用电流环等效环节替代后，转速控制系统的动态结构框图如图2.4所示。图2.4转速环结构简化a 十H为了实现转速无静差，在负载

8、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，所以应该设计成典型n型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求.和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/ ，再把时间常数为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的惯性环节，其中Tn KTon由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为Wasr(s)汕UnS(2-8)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；Un则校正后的转速环框图如图2.

9、5所示:Kn( nS 1)2S(TnS 1)图2.5转速环校正后的系统框图服从的近似条件为:(1)电流环传递函数简化条件为：1庄3占icn(cn为转速环的截止频率)(2-9)(2)转速环小时间常数的近似处理条件:醴cn(2-10)2.3.1转速环时间常数确定2r i 0.004s电流环时间常数ki转速滤波时间常数：Ton 0.005S转速环小时间常数按小时间常数近似处理取:1T n T on 0.009sKi232转速调节器结构选择设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器PI调节器，按典其传递函数可如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近

10、似 型II型系统进行设计。可证明，当近似 PI调节器的稳态放大系数很大时,表示为WasR (S)K(nS式中，Kn为转速调节器的比例系数；n为转速调节器超前时间常数,n hT n( h 为中频宽）。233转速调节器的参数计算按跟随和抗干扰性能较好的原则，取中频宽为h=5，转速调节器的超前时间常数为:n hT n 5 0.009s0.045s则转速环的开环增益为:5 1520.00921481s转速调节器ASR的比例系数为:K (h 1) CeTmn 2hT nR(5 1) 1.350.122 5 0.009 8 0.052.3.4校验近似条件转速开环截止频率为:cn K N n 14810.0

11、4566.645电流环传递函数简化条件为：讨+ 1 恳 117.85cn满足近似条件。转速环小时间常数的近似处理条件：船3恳158.1cn235转速调节器电容电阻值的计算RnKnRo 5.4 40K216K，取 Ri220KCnn 0.045 F3厂Rn 2201030.204 F 取 G0.2 FCon4Ton4 0.01 F40 1030.1 F 取 Coi0.1 F3设计的验证3.1电流环验证经过以上电流环的校正后，电流环的开环传递函数为:Wi(s)Kis(T iS 1)s(0.002s 1)250用matlab编程程序为：>>nu m=250开环函数分子多项式>>

12、;d en=0.002 1 0;开环传递函数的分母多项式>> G=tf(num,d en);开环传递函数>> H=feedback(G,1,-1)闭环传递函数tran sfer fun cti on2500.002 s2 + s + 250>>ste p(H)求得其阶跃响应曲线如图3-1所示：1 .4 0050.020.010 015Time (sec)图3-1电流环闭环阶跃响应曲线1 2Response624o由阶跃响应曲线知，电流超调为 4.31%<5%满足设计要求。3.2转速环验证321按线性系统计算的转速环超调s2(T iS 1)s2 (0.0

13、17s 1)经过ASR的校正后，转速环的传递函数为0.085s 1)用matlab编程程序为： num=1481*0.045 1;den=0.009 1 0 0;G=tf(num,d en);H=feedback(G,1,-1)Tran sfer fun cti on:66.64 s + 14810.009 s3 + s2 + 66.64 s + 1481>> ste p(H)求得闭环的阶跃响应曲线如图4-2所示:step Res panes.020 040.10.12o.oe o-oeTime rst!*c)2訣 OiiOeg &O .14图3-2 转速闭环阶跃响应曲线由

14、图可得到：超调为37.5%，上升时间为0.0335SV0.1S的要求，此时的超调是没计算调节 器饱和的影响，实际退饱和超调小于此数值。322按非线性计算的转速环退饱和超调退饱和超调的公式为：式子中的（Cmax） nN（Cb nz）TmC m axCT"为系统在相应的中频宽下的抗干扰性能指标具体可查表4.1nN 为系统开环带额定负载时的稳态速度降落n 电机的理想空载转速,z分别为电机的过载倍数和负载系数（z IdL/IN）Tm,T n分别为电机的转矩时间常数和校正后的转速环的惯性环节的时间常数nN额定稳态速降为:曲 j 246.7r/minCe0.12理想空载转速为: 退饱和超调为：n

15、N+ nN =246.7-200=446.7r/minCQz Jmax（-CT812%）（n246.7446.7（2本题的退保和超调计算:15.2%20%满足要求4仿真设计Matlab是一款集计算仿真与一体的多功能软件，可利用模型的传递函数来搭建系统,使用起来很方便。4.1通过上述工程设计方法建立的转速电流双闭环直流调速系统确定了控制器的数学模型 及参数，因此可以实现基于数学模型的双闭环直流调速控制系统仿真，数学模型如图 所示。图中所用的模块均在simulink的continue库中，考虑到调节器的饱和，在ASR和ACR 调节器后都添加了输出限幅环节“ Saturation”。由于模型中有非线

16、性环节“ Saturation “ 因此仿真器可选择ode23、ocle23s、ocle15、ode15s，本模型选择ode23，采用变步长积分 法。时间从0开始，10s停止。参数设置完成后，可以开始仿真，电枢电流和转速输出曲线如图4.2和图4.3所示,可以清楚的看到双闭环启动过程的电流，转速变化曲线，以及超调过程。从仿真结果知，转速的超调满足设计要求，而电流的超调不满足要求。原因可能是电流环和转速换的输出限幅不能完全符合实际情况，在仿真过程中可以看到, 当输出达到限幅的时候，调节器的输出却还在不停地增加，大大超过了输出限幅值。实际 情况是，当达到输出限幅时，调节器的输出不会继续增大，而是保持

17、当前值，一旦出现负 的误差，可以立即作用于调节器，使其输出减小。当断开转速环以后，会产生一个 枢电流突然增加，随着时间的推移， U逐渐降低，有PI调节器的特性可知，在 U降为零的这段时间内，转速会一直增加，其增加量等于 U对时间的积分。co寸a 輕 KSq co 希评II渥44求SHMms武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书19图4.2电枢电流曲线GODTOOECiOl100图4.3转速曲线5.心得体会这次电力拖动自动控制系统历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜， 但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没 有学到

18、过的知识。具体的收获有以下几点:学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而并且我在做设计的过程中发现有很多花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层 次的东西更是不可缺少。这样，我们可以尽可能的统一思多和同学讨论。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题,想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后程序和在一起。讨论不仅是 一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要