中主电路,电流调节器及转速

1、中北大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书学生姓名: 学 号： 学 院： 信息与通信工程学院 专 业: 自动化 题 目： 双闭环VM调速系统中主电路， 电流调节器及转速调节器的设计 指导教师： 2011年8月25日 中北大学电力拖动自动控制系统课程设计任务书 11/12 学年第 一 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业: 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目: 双闭环VM调速系统中主电路， 电流调节器及转速调节器的设计 起 迄 日 期： 8月22 日8月 26日 课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 下达任务书日期: 2011年08月 22日课 程 设 计 任 务 书一、

2、 设计题目：双闭环VM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：=3kW，=220V，=17。5A,=1500r/min，电枢绕组电阻=1.25，=3.53。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻=1。3。平波电抗器电阻=0。3。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=8V，ACR限幅输出=8V，最大给定=10V，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电流 =2.1，临界截止电流 =2。(3）设计指标：电流超调量%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量10%,空

3、载起动到额定转速的过渡过程时间 t0.5.三、 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： 用工程设计方法设计 （1）系统设计的一般原则：（2）电流环设计1） 确定时间常数2） 选择电流调节器结构3） 选择电流调节器参数根据上述参数可以达到的动态指标为4） 校验近似条件（3）转速环设计1） 确定时间常数2） 选择转速调节器结构3） 选择转速调节器参数 4

4、） 校验近似条件 用西门子调节器最佳整定法设计（1）电流环的动态校正 （2）转速环的动态校正 两种设计方法的分析比较五、 设计心得:六、 参考资料 :一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 。(2)电流环设计电流环动态结构图及简化:1）确定时间常数 根据已知数据得 ´= 三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间0。0017sT=,取电流反馈滤波时间常数，可得电流环的小时间常数为0.002oiT，可得电流环的小时间常数为2）选择电流调节器结构 S

5、 但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3)选择电流调节器参数 积分时间常数： 为满足%5%，取电流环开环增益KI 为:电流调节器比例系数KI 为：取调节器的输入电阻R0=20K，则电流调节器的各参数为：根据上述参数可以达到的动态指标为：故能满足设计要求.4）校验近似条件 电流环截至频率:晶闸管装置传递函数近似条件为：又有：故该近似条件满足。小时间常数近似处理条件为:则故该近似条件满足。（3）转速环设计转速环动态结构图及简化：确定时间常数 电流环的等级时间常数为 0。0074s.取转速反馈滤波时间常数 0

6、。01s，转速环的时间常数为:2）选择转速调节器结构 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，转速调节器采用近似PI调节器,按典型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，其传递函数可表示为3)选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量和过渡过程时间ts。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当h=5时，ASR退饱和超调量为:式中为电动机允许过载系数,按题意l=2.1；z为负载系数，设为理想空载

7、起动,则z=0； ,当h=5时，故起动到额定转速,即n*= 时，退饱和超调量为=9。2%小于10%，满足设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用,使过渡过程时间ts延长，ts 可表示为 ts=t0+t2, 其中t2为恒流升速时间，t0是退饱和超调过渡过程时间。转速环开环增益为ASR比例系数为如去调节器输入电阻Ro=20kW，则4）校验近似条件 转速环截止频率为故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为：故满足该简化条件.5） 易犯错误此系统是有差系统，ASR似乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。这时，转速环的开环放大系数为根据设计指标,转速超调

8、量要求n小于10,据此可选择参数为于是 上述设计过程的错误是:ASR采用比例调节器,当其放大系数为9。7时，虽可满足动态 指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时KASR=76。3，即ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾,只有当ASR采用PI调节器（或近似PI调节器）后，才能较好地解决这个矛盾.为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用PI调节器，并按典型II型系统进行设计。另外,计算空载起动到额定转速的过渡过程时间st时，若查教材表26,当h=5时,得 是不对的，此错误在于：教材表26所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指

9、标，它只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后,由于ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定. 用西门子调节器最佳整定法设计（1)电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图227所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统,电流调节器可以采用PI调节器，即如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统所得调节器参数为因Ro=20k,取1F，于是 取68.这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量（2）转速环的动态校正 将电流环与上述的工程设计方法同样处理,可画出转速环的动态机构图如图所示。对于

10、这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用PI调节器，即如果调节器按下述条件选择参数,系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统所得调节器参数为R0=20k,取Cn=0.47uF,给定滤波器的时间常数为0.0696S当转速调节器采用上述参数,并在输入端加给定滤波器后,系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量=8.1%,过渡过程时间ts=16.4×0.0174s=0.265s.两种设计方法的分析比较（1）西门子设计方法中的二阶最佳系统,与工程设计方法中的典型I型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I型系统中选12KT= 的情况。 （2）西门子设计方法

11、中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型II型系统中选中频宽h=4的情况.（3）西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR饱和，因此给出的 过大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小，因此只要ASR饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。此外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这就给现场调试带来一定困难。二、设计心得： 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过的知识. 1。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。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，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。 2.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，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中