运动控制系统课程设计指导书B5胶印版

1、运动控制系统课程设计指导书成都大学电子信息工程学院自动化系谭健敏编2013年10月运动控制系统课程设计指导书目录前言21 .课程设计任务31.1 课程设1t题目31.2 课程设计的内容31.3 课程设计的主要技术参数31.4 课程设计时间安排41.5 课程设计的主要参考资料42 .直流调速系统的工程设计方法52.1 控制系统的设计52.2 闭环调速控制系统的工程设计方法72.3 转速环与电流环的关系：103 .直流调速系统串联校正设计实例（参考）111运动控制系统课程设计指导书前言1、运动控制系统课程设计的目的与任务运动控制系统课程设计是运动控制系统（电力拖动自动控制系统）课程教学的一个环节，

2、任务是通过课程设计使学生掌握运动控制系统设计（综合）的基本方法（工程设计方法），掌握调速系统工程设计的具体步骤和方法。2、课程设计基本内容及要求本课程设计包括运动控制系统的工程设计方法、直流调速系统的设计和控制参数计算、调试系统和参数分析三部份内容。要求掌握对调速系统进行测试和分析、操作和调试的基本方法、步骤和基本操作技能，具备对控制系统的调试和故障分析的能力。设计说明书应对整个设计过程有清晰的说明，包括设计过程说明、主回路设计说明、控制电路设计说明、调试说明，以及设计计算公式、计算数据、设计图表等内容。3、适用专业本课程设计适用自动化专业，电气工程及自动化专业。4、考核方式课程设计的考核成绩

3、由平时成绩、设计计算和设计报告（包括设计测试）叁部分组成。5、本课程设计指导书适用于“运动控制系统”或“电力拖动自动控制系统”等相关课程。6、本课程设计指导书根据学校实验室配置的教学实验装置和专业教学要求编写。谭健敏2012年9月.课程设计任务1.1 课程设计题目采用工程设计方法设计转速电流双闭环直流调压调速系统1.2 课程设计的内容1）调速控制系统的总体设计；2）设计主回路；3）根据指标设计调速系统的调节器，并选择各环节参数;4）按设计结果组成系统，在实验室用实验系统进行调试；5）研究参数变化对系统性能的影响；1.3 课程设计的主要技术参数1.3.1 闭环控制系统性能要求1）稳态无静差；2）

4、调速范围D=5;3）静差率s<5%;4）起动时电流超调量6i<5%;5）在额定转速时的转速超调量（rn<10%;6）动态速降010%;7）振荡次数02次；8） 控制参数：R=40/30/20/10kQ;U*n=U*i=Uct=10V;9）电流反馈滤波常数：0.002s;10）转速反馈滤波常数：0.01s;11）电流过载倍数入=1.5;1.3.2 晶闸管一电动机系统主电路1）品闸管整流电路方案的讨论和选择；（单相/三相桥式整流器）2）晶闸管的选择；3）绘制品闸管调速成系统主电路原理图和设备明细表。1.3.3 他励直流电动机参数额定电压：220V;额定电流：136A;额定转速：1

5、450r/min;电势系数：0.132Vmin/r电枢回路总电阻：0.5Q;电磁时间常数：0.03s;机电时间常数：0.18s1.4 课程设计时间安排转速电流双闭环的直流调压调速系统设计方法讲授12学时；系统设计和参数计算3天；实验室按设计结果调试系统，研究参数变化对系统性能的影响1天。采取不停课的方法进行，工程设计方法的讲授和系统设计和参数计算的时间分散，进入实验室调试时集中进行。1.5 课程设计的主要参考资料1陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京：机械工业出版社2003.52段文泽，童明俶.电气传动控制系统及其工程设计.重庆：重庆大学出版社，1989.103高秀珍等编著.电机及控制系

6、统实验.北京：国防工业出版社，2005.34夏新顺.电力拖动自动控制系统实验指导书.北京：机械工业出版社，19965运动控制系统实验实验指导书.自动化系编，2010.106电机原理与拖动基础实验指导书.自动化系编，2011.3-9 -.直流调速系统的工程设计方法2.1 控制系统的设计控制系统的设计是根据系统要求确定系统做什么以及怎么做，根据控制系统的基本结构和控制器在受控过程中位置结构确定控制器的具体结构，按照系统设计目的确定控制器的参数。大部分控制器修正了控制系统的特性，所以又称之为校正。2.1.1 控制系统设计要求一一性能指标1）跟随性能指标在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变

7、化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有：tr一上升时间一超调量ts一调节时间2）抗扰性能指标抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有：Cmax动态降洛tv一恢复时间一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。2.1.2 控制系统的基本结构和控制器的结构1）控制系统基本结构调速系统的基本结构设计采用固定结构设计（校正）的方式，常用的带有校正控制器控制系统的结构有：a）串联校正（用级）是使用最广泛的一个结构；b）反馈校正c）前馈校正d）状态反馈校正多环控制组合方法：在一个控制系统中，如果有多个被反馈的物理量需要构造闭环

8、，而且这些被反馈物理量是由同一个物理量产生，那么延迟时间最短的那个被反馈物理量的反馈环建在最里面，延迟时间最长的那个被反馈物理量的反馈环建在最外面。外环是决定系统性能的根本因数，而内主要起改造对象特性以有利于外环控制作用，各种扰动给内环带来的误差可由外环控制加以弥补或抑制。2）控制器的结构PID控制器，是校正设计中使用最常用的一种结构；一般的调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用PD或PID调节器。由PDM节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的

9、滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；用PID调节器实现的滞后一超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。2.1.3 设计的基本原则基本方法：在选择一个控制器后，用时域分析法、根轨迹法、频域分析法来分析控制器的每个参数对系统性能指标的影响，进而确定满足设计要求的控制器参数。控制器越复杂、可靠性越差、造价越高、设计和调试越困难。基本法则：在时域中，在S平面上，用根轨迹法；在频域中，采取设计闭环传递函数的增益及相位的方法。2.1.4 控制器的参数确定在设计校正装置时，主要的研究工具是伯彳惠图（BodeDiagram）,即开环对数频

10、率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。正因为如此，伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的，不同文献上的分割方法也不尽相同，这并不影响对系统性能的定性分析。从典型伯德图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：1）中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB,而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；2）截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好；3）低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高

11、；4）高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：相角裕度和以分贝表示的增益裕度GM一般要求：=30°60°GM>6dB。2.2 闭环调速控制系统的工程设计方法用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为：

12、mK(jS1)j1W(S)jnsr(TiS1)i1上式中，分母中的sr项表示该系统在原点处有r重极点，或者说,系统含有r个积分环节。根据r=0,1,2,等不同数值，分别称作0型、I型、II型、系统。自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而出型和田型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型n型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。2.2.1 工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路将控制对象校正成为典型系统。对于双闭环调速系统来讲就是设计转速、电流两个

13、调节器。设计思路是：(1)选择调节器结构，使系统典型化并满足稳定和稳态精度。(2)设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。工程设计方法的特点：(1)概念清楚、易懂；(2)计算公式简明、好记；(3)不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；(4)能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；(5)适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。2.2.2 工程设计方法的设计步骤实际刈黛卜 近似（降阶）I-调节器C）调N瑞（D-（近似对卷）典型化近似对象典型系统（a）第一步：对象近似i近似对默 一曲型系统<b）第二步：将系统归类为典型系统冬个近似条件采用系统的特性 泰鞅被验各近似

14、 条件.若不符.则重新设计.借用典型系统 参数与性能指 标的关系设计 调节器参数（c）第三步:调H器参数设计OO第四步工校验近似条件并实验实际的双闭环调速系统的动态结构图如下图所示，图中增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。Toi是电流反馈滤波时间常数，Ton是转速反馈滤波时间常数。系统设计的一般原则是先内环后外环。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。2.2.3 电流环（电流调节器）的设计电流环设计分为以下几个步骤：1）电流环结构图的简化a）电流环结构图的简化内容有b）忽略反电动势的动态

15、影响c）等效成单位负反馈系统d）小惯性环节近似处理2）电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。3）电流调节器的参数选择电流调节器的参数有：K和i,可根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，可选=0.707,KTi=0.5。如果实际系统要求的跟随性能指标不同，应作相应

16、的改变；此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。4）电流调节器的实现采用模拟电路构成电流调节器，则需根据所选的R计算电阻R电容C和Q值。2.2.4 转速环（转速调节器）的设计转速环设计分为以下几个步骤：1）电流环的等效闭环传递函数的计算电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。接入转速环后内，电流环等效环下的输入重应为Ui（s）。电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。2）转速调节器结构的选择为了实现转速无静差，在负载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A

17、SR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。由此可见，AS他应该采用PI调节器。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Un（S）/，再把时间常数为1/K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3）转速调节器参数的选择转速调节器的参数包括K和n。按照典型R型系统的参数关系，中频运动控制系统课程设计指导书宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择h=5,实际系统要求的跟随性能指标不同，应作相应的改变。

18、4）转速调节器的实现采用模拟电路构成电流调节器，则需根据所选的R计算电阻R电容C和C值。最后要进行所有近条件的校验，如果不满足则需重新计算。2.3 转速环与电流环的关系：外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法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。13三.直流调速系统串联校正设计实例（参考）1.双闭环直流调速系统建模 机电时间常数的求取：TmGD2 RaGD2 Ra375CeCm 375 9.55(Ce )将数据代入可得:Tm 0.67 s电磁时间常数的求取:LTi一R又 LLa0.2038 HR RaRs32.3 0.

19、97 33.27将数据带入公式（17）可得Tl0.203833.270.006s系统的动态结构框图如下: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，同时一一*将给定信号改成匕®，再把时间常数为'和Ton的两个小惯性环Ki节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中：TnTonKi转速环结构简化如下为了实现转速无静差，在负载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。由此可见，ASR也应该

20、采用PI调节器，其传递函数为：Kn(nS1)Wn'nLWASR2r八s(TnS1)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。这样，调速系统的开环传递函数为:Wn(S)Kn( nS 1)n sKn R( nS 1)CeTmS(TnS 1)2 /n C eT m s (T n s1)令转速环开环增益为：K NKn RCeTmKn(nS1)W(s)S(TnS1)2.转速调节器的参数计算转速调节器的参数包括Kn和no按照典型II型系统的参数关系:nhTn运动控制系统课程设计指导书19 -Knh1T2-22hTnKn(h1)CeTm2hRTn至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的

21、要求决定。无特殊要求时，一般可选择转速调节器的实现：模拟式转速调节器电路Un一为转速给定电压n一为转速负反馈电压*.Ui一调节器的输出*.一Ui是电流调节器的给定电压KnRnRoRnCn4R0Con调速系统转速调节器的设计系统参数确定预先选定的参数(1)调节器输入回路电阻R0为简化起见，调节器的输入电阻一般均取相同数值，通常选用1060KQ,在这我们取R0=(10KQ+10KQ)=20KQ(2)电流反馈系数B(取最大输入电压Um=10V)设最大允许电流Idm=1.5IdN,有Idm=1.5X1.6=2.4Adm102.44.17(3)速度反馈系数aUmnN 200010 0.005v min/

22、 r(4)电流滤波时间常数Tfi及转速滤波时间常数Tfn由于电流检测信号和转速检测信号中含有谐波分量，而这些谐波分量会使系统产生振荡。所以需加反馈滤波环节。滤波环节可以抑制反馈信号中的谐波分量，但同时也给反馈信号带来惯性的影响，为了平衡这一惯性的影响，在调节器给定输入端也加入一个同样参数的给定滤波环节。电流滤波时间常数Tfi一般取13ms转速滤波时间常数Tfn一般取520ms对滤波时间常数，若取得过小，则滤不掉信号中的谐波，影响系统的稳定性。但若取得过大，将会使过渡过程增加，降低系统的快速性。此设计中我们取Tfi=2ms=0.002sTfn=10ms=0.01s转速调节器的设计转速调节器结构的选择为了实现转速无静差，在负载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。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：WASRKn(ns1)2_s(Tns1)式中Kn转速调节器的比例系数；n转速调节