运动控制课程设计三闭环控制系统

1、系统设计课程设计报告书题目：带电流变化率内环的三环直流调速系统设计与实践学院：信息专业：自动化学生：陈臻誉学生学号：2012550413组员：张凯林：2015 年 7 月 完成时间指导教师：李辉成绩评定：目录一、选题背景3二、题目要求32.1 设计目的42.2 设计内容42.3 设计要求52.4 电机拖动系统设计与5案论证5四、过程论述64.1 电流调节器设计64.1.1 确定时间常数64.1.2 选择电流调节器结构74.1.3 计算调节器电阻和电容84.2 速度调节器设计84.2.1 计算转速调节器参数84.2.2 计算调节器电阻和电容94.2.3 校核转速超调量9五、结果分析105.1 利

2、用双闭环软件系统建模及实验及实验结果10实验105.1.2 双闭环调速系统调节参数115.1.3 双闭环系统.13模型 三闭环波形分析14实验16波形结果18六、课程设计总结19七、参考文献20带电流变化率内环的三环直流调速系统设计与实践一、选题背景本课题为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在 V-M 调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。采用 PI 调节

3、的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。为了实现在条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 I dm 的恒流过程。按照反馈规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。但是电流的超调太大,影响电机, 导致电机转矩波动过大,容易损坏生产设备,利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环。用电流变化率内环可以抑制电流的变化,使电流趋于平缓,通过系统建模和，用

4、/Simulink工具分析设计直流电速度系统。二、题目要求自拟系统性能指标的要求，调速范围、超调量、动态速降、调节时间、抗扰性能等。设计系统原理图，电流环的设计，转速环设计、电流变化率内环设计，完成元器件的选择，计算选择合理调节器参数，并进行合理性。或实验验证系统2.1 设计目的1通过对一个实用的带电流变化率内环的三环直流调速系统的设计、安装、调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升，使学生获得技术工程的基本训练。2通过系统建模和，掌握用/ Simulink 工具分析设计直流电速度系统的方法。3进一步掌握各种直流调速系统的性能，尤其是动态性能。2.2

5、 设计内容1理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带电流变化率内环基本原理，解决调节器的饱和非线性问题；采用工程设计方法设计一个带电压内环的三环直流调速系统(含主电路和气原理图)。电路,选择的元器件，系统的电2实践：根据所设计系统，利用/Simulink建立各个组成部分相应的数学模型，并对系统模型进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的实验波形和合适器参数，为搭建实际系统提供参考。3动手实践：根据所设计系统，完成单元电路安装、系统组装、单元及系统调试（可利用实验台的某些挂件），得出实物实验波形和系统动、静态性能。4、 设计要求技术参数： 直流电：直流电：额定功率 8KW，

6、额定电压 220V，额定电流 2A，GD2=5.3N.m 额定转速 1600r/min，C =0.118Vmin/r，e过载倍数 =1.5；晶闸管装置放大系数：KS=30； 电枢回路总电阻：R=3；时间常数：机电时间常数 Tm =0.1s，电磁时间常数：L=1.46U2/Idmin=1.46*132.8/(0.1*4) = 482 mH； TL= L/R= 482*10-3/3=0.16S 电流反馈系数：=1.5 V/A（10V/Inom 10V/1.5Inom）； 转速反馈系数：=0.0055Vmin/r（10V/nnom 10V/1.5nnom）；反馈滤波时间常数:Ton =0.02s，T

7、oi =0.002s； 电流变化率 di/dt =10Inom /s其它未尽参数可参阅中“工程设计方法举例”的有关数据。先设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环，观察电流变化的快速性变化。电流变化率内环，一般采用调节器。2.3 设计要求调速范围D=10，静差率 S 5；稳态无静差，电流超调量 i 5%,电流脉动系数 Si 10；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n 10，空 载 起 动 到 额 定 转 速 时 的 过 渡 过 程 时 间 ts0.5s 。2.4 电机拖动系统设计与根据所提供电参数，画出带电压

8、内环的三环直流调速系统结构图，根据电流超调量、转速超调量等指标，用工程设计方法决定转速调节器、电流调节器和电流变换率调节器结构与参数，并对该调速系统进行 simulink。案论证根据所给出的参数及要求选择了电流转速双闭环加上电流变化率内环，实现三闭环调速。要求符合直流电：额定功率 8KW，额定电压 220V，额定电流 2A，GD2=5.3N.m 额定转速 1600r/min，C =0.118Vmin/r，e件。过载倍数 =1.5 等条按照设计多环系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计电流变化率内环）。在双闭环系统中应该首先

9、设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。双闭环直流调速系统的结构框图:-IdLId-nU* R Tms+n1/Ce+-Un-UU i*Ud0EUciba图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图四、过程论述4.1 电流调节器设计4.1.1 确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数T 。按书1 表 1-2，三相电路的平均失控时间：sTs =0.0017s（3-1）(2) 电流滤波时间常数Toi 。Toi =0.002s(3) 电

10、流环小时间常数之和Tåi 。按小时间常数近似处理，取为：（3-2）Tåi = Ts + Toi =0.0037s(3-3） 1/R Tl s+1 KsTss+1WACR(s)WASR(s)4.1.2 选择电流调节器结构根据设计要求s i £ 5%，稳态电流无差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。电流环数为：对象是双惯性型的，因此可用 PI 电流调节器，它的传递函= Ki(t is +1)W(s)（3-4）ACRt is检查对电源电压的抗扰性能：Tl Tå i0.16= 43.240.0037（3-5）符合典型 I 型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都

11、是可以接受的。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：t i = Tl =0.16s。（3-6），应取 KIT Si =0.5，因此：1电流环开环增益：要求s iKi = 0.0037 = 135.13（3-7）于是，ACR 的比例系统为：Ki =Ki i b= 2.22（3-8）校验近似条件电流环截至频率：KI = wci = 74.63晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：（3-9）11= 196.1s-1 > wci=（3-10）3Ts3´ 0.0017忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：1 1 = 3´1= 94.87s-1 < wci（3-11）

12、0.01s ´ 0.1s3TmTl电流环小时间常数近似处理条件为：1 1 = 3´1= 180.8s-1 > wci（3-12）0.0017s ´ 0.002s3TsToi4.1.3 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得 R0 = 40KW 。各电容和电阻值为：K =、t = R C 、T= 1 R CRi（2-13）iii ioi0 oiR40Ri=40k W（2-14）按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为s i =4.3%<5%,满足课题所给要求。4.2 速度调节器设计确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/ KI

13、。取 KIT Si =0.5，则：= 2 ´ 0.0067 = 0.0134（3-15）KI(2)转速滤波时间常数Ton 。根据所用测速发电机波纹情况，取：Ton =0.005s。(3)转速环小时间常数TSn 。按小时间常数近似处理，取：（3-16）1T=+ T= 0.0184（3-17）å nonKI选择转速调节器结构按设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为：WASR(s)= Kn(t ns+1)（3-18）t ns4.2.1 计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为：t i=hTSn=5´ 0.0274

14、=0.137s并且求得转速环开环增益为：（3-19）KN= h+1 =6= 159.84s-2（3-20）2h2TSn 22 ´ 25´ (0.0274)2则可得 ASR 的比例系数为：Kn= (h+1)bCeTm =6 ´ 3´ 0.113´ 0.1= 15.62ha RTSn2 ´ 25´ 0.005´ 9.5´ 0.0274（3-21）校验近似条件转速截止频率为：w´t n = 159.84´ 0.137 = 21.9s-1（3-22）w1电流环传递函数简化条件为：1KI3TSi

15、135.10.037= 3´= 63.7s-1 > wcn（3-23）转速环外环的小时间常数近似处理条件为：= 3´ 135.1 = 27.4s-1 > wcn1KI3Ton（3-24）0.024.2.2 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取 R0 =40 kW 。各电容和电阻值为：Rn = Kn ´ R0 = 15.6 ´ 40K W = 625KW ，（3-25）（3-26）Cn = t n= 0.137= 0.22mFRn625KW4.2.3 校核转速超调量当 h=5 时，由书1 可以查得：s n =37.6%，这并不能满足课题所给

16、要求。实际上，由于表 2-6 是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。如下：æ Dö Dnæ DöDCCnN TSn()s n = 2l - zmaxbmaxç÷ç÷n*n*CCTèbøèbøm1.2 ´ 9.5= 2 ´ 81.2% ´ 2.1´ 0.113 ´ 0.0274 = 4.2% < 10%（3-27）1600满足课题所

17、给要求。三环电流变化率数据是通过0.1调试出来的五、结果分析5.1 利用软件系统建模及实验及实验结果双闭环实验为了实现转速和电流两种可在系统中设置两个调节器，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，如图 5.1 所示。图 5.1 双闭环调节结构原理图5.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统结构图 5.2 中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环

18、直流调速系统进行设计，如图 4.9 所示：-IdLId-nU* R Tms+U in1/Ce+-Un-U*Ud0EUciba图5.2 双闭环直流调速系统的动态结构用的 SUMLINK 模块做的双闭环调速系统模型图：双闭环系统波形及分析：1600 +1.2 *9.5 = 6.41V （4-1）ACR 输出限幅值UcK30s5.1.2 双闭环调速系统调节参数由此可得：双闭环调速系统采用 PI 调节规律，它不同于 P 调节器的输出量总是正比与其输入量，PI 调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的，晶闸管放大系数 Ks机电时间常数Tm电磁时间常数Tl电流反馈系数转速反馈系数a过载倍数l300. 1

19、s0.01s3V/A0.005vmin/ r1.5TonToiCeRtrASR 限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.5 W2s± 6.1VACRASRACR 限幅值t nKiKIKnKN± 8.7V0.137s0.143135.1 S -115.6159.84 S -2RiCiRnCnt i6KW1.75 m F550 KW0.22 m F0.01s 1/R Tl s+1 KsTss+1WACR(s)WASR(s到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来决定的。图双闭环系统仿真模型 双闭环系统模型5.1.4波形分

20、析转速波形图 5.4（转速稳定在 1600，超调很小）图 5.4 转速波形电流波形图 5.5（电流最终稳定在 2A）图 5.5 电流波形从波形图中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第阶段：电流上升阶段。突加给定电压 Un*后，通过两个调节器的，使 Ua，Ud，Ud0 都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长很快。在这一阶段中,ASR 由不饱和很快达到饱和,而 ACR 不饱和,确保电流环的调节作用. 第阶段：是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值 n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定 Uim*

21、作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的度恒定，转速呈线性增长。第阶段：转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR 输入端出现负的偏差电压，使他饱和状态，其输出电压的给定电压 Ui*立即下降，主电流 Id 也因而下降。但在一段时间内， 转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流 Id 也出现一段小于 Id0 的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR 和ACR 都不饱和，同时起调节作用根据波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在三闭环直流调速系统中的作用归纳为：1). 转速调节器的

22、作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机2). 电流调节器的作用的最大电流。（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机的最大电流，从而加快动态过程（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

23、5.2 三闭环实验带电流变化率内环的三闭环原理图TAUiRiCiL+RnCR0U*R0ACR+ASRGTRPLMId-+LMR0M+-+UdU PR0Uc-U*iUn-n+RPT-图5.6三闭环直流调速系统电路原理图www.PLcWwww.PLcW图三闭环系统仿真模型5.8波形结果转速波形图 5.8（超调较小最终稳定在 1600 转）图 5.8 转速波形电流波形图 5.9图 5.9 电流波形低转速下的波形图 5.10（160 转）图 5.10 低转速下的波形主电路采用三相桥式全控定励磁，改变转速给定电压Un* 可方便地调节电工作时，首先给电加上额的转速。速度调节器 ASR、电流调节器 ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出Ui* 作为 ACR 的给定，利用 ASR 的输出限幅Uim* 起限制启动电流的作用；ACR 的输出Uc 作为触发器 GT 的移相电压，利用 ACR 的输出限幅