双闭环调速系统ASR和ACR-结构及参数设计

1、黑龙江大学课程设计说明书学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：双闭环调速系统ASR和ACR 结构及参数设计姓名：xxx学号：2021xxxx指导教师：xxxx 成绩：xxxx双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计 一设计目的：掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器，加深对双闭环直流调速系统理解。二设计内容：在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的双闭环直流调速系统中，电动机数据如下：60kW，220V，308A，1000r/min，Ce= 0.196V·min/r, 主回路总电阻R=0.18, Ks = 35，TL=0

2、.012s,Tm=0.12s,电流反应滤波时间常数Toi=0.0025s, 转速反应滤波时间常数Ton=0.015s, 额定转速时的给定电压为10V, ASR最大输出限幅值为8V, ACR最大输出限幅值为6.5V，R0=40k。设计要求：稳态无静差；调速范围D=10, 电流超调量si 5%，电机空载起动到额定转速时的转速超调量sn 10%，起动电流限制在339A以内。 三时间安排：6.226.23 查阅相关资料；6.246.25 按要求设计相关内容，完成设计文本6.26 考核辩论四参考书目：1.?电力拖动自动控制系统?第3版陈伯时主编 机械工业出版社2.?电力电子技术?第4版 王兆安 黄俊主编

3、 机械工业出版社3.?自动控制理论? 刘丁主编 机械工业出版社4.?电机及拖动根底?第3版 顾绳谷主编 机械工业出版社目录第一章 绪论1第二章 电流调节器的设计52.1 电流环结构图的简化52.2 电流调节器结构的选择72.3 电流调节器的参数计算82.4 校验近似条件92.5 电流调节器的实现9第三章 转速调节器的设计103.1 电流环的等效闭环传递函数103.2 转速调节器结构的选择113.3 转速调节器的参数计算133.4 检验近似条件133.5 转速调节器的实现14第四章 转速调节器退饱和时转速超调量的计算15结论19参考文献19第一章 绪论转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、

4、应用最广的直流调速系统。对于采用转速负反应和PI调节器的单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。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反应环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流以后，靠强烈的负反应作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反应的单闭环直流调速系统起动过程中，起动电流到达最大值后，受电流负反应的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。一、转速、电流双闭环

5、直流调速系统的组成为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反应控制规律，采用某个物理量的负反应就可以保持该量根本不变，那么，采用电流负反应应该能够得到近似的恒流过程。为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，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应和电流负反应。二者之间实行嵌套或称串级联接如下列图1-1所示。图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器图中，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控制电力电子变换器UPE。从闭

6、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。二、双闭环直流调速系统的电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用P I调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下列图1-2。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图1-2 双闭环直流调速系统电路原理图图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。三、

7、双闭环直流调速系统的稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下列图1-3。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。图1-3双闭环直流调速系统的稳态结构图a转速反应系数；b电流反应系数PI调节器的稳态特征一般存在两种状况，即饱和时输出到达限幅值和不饱和时输出未到达限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时， PI 作用使输

8、入偏差电压在稳态时总是零。四、双闭环直流调速系统的动态结构图在单闭环直流调速系统动态数学模型的根底上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下列图1-4所示。图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反应，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。之后将要进行的典型系统的设计及动态性能指标的计算都是在此图根底上进行的。图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图五、两个调节器的作用经过分析，转速和电流调节器都具有非常重要的作用，归纳如下。1. 转速调节器的作用：1） 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快

9、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，那么可实现无静差。2） 对负载变化起抗扰作用。3） 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用：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，保证获得电机允许的最大电流，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。六、调节器的工程设计方法1工程设计方法的根本思路1选择调节

10、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。2. 典型系统1典型I型系统传递函数：式中 T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。2典型型系统传递函数：3选择典型系统的依据一般来说，在动态性能中典型I型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但抗扰性能稍差：而典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能较好。七、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器1. 系统设计对象图1-5 双闭环调速系统的动态结构图双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图1-5，它与前述的图1-4不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中 电流反应滤波时间常

11、数 转速反应滤波时间常数2. 系统设计原那么从内环开始，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，最后进行转速超调量的校验。第二章 电流调节器的设计2.1 电流环结构图的简化在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如下列图2-1所示。忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： 2-1图2-1 电流环的动态结构图及其化简如果把给定滤波和反应滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给

12、定信号改成U*i(s) /b，那么电流环便等效成单位负反应系统图2-2。图2-2 单位负反应系统 最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为Ti= Ts+ Toi (2-2)简化的近似条件为 (2-3)电流环结构图最终简化成图2-3。图2-3 电流环最终简化结构图2.2 电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量si5%，有以下两种方案可供选择：方案一：典型型系统，可使电流无静差，抗扰性能好。方案二：典型I型系统，也能使电流无静差，跟随性能好，超调小。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转

13、特性，采用 I 型系统就够了。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，其传递函数可以写成2-4式中 Ki 电流调节器的比例系数； tI 电流调节器的超前时间常数。由表2-1知，三相零式电路的平均失控时间TS=0.0033s。表2-1 各种整流电路的失控时间f =50Hz又电流反应滤波时间常数Toi=0.0025s，按小时间常数近似处理，TSi=TS+T

14、oi =0.0033+0.0025s=0.0058sTL=0.012s，易知m= TSi /TL=0.0058/0.012=0.48，参照表2-2的典型I型系统动态抗扰性能，知其动态性能不是十分理想，但这不是主要因素，且各项指标都可以接受。表2-2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系KT=0.52.3 电流调节器的参数计算为了使校正后的典型系统为典型I型系统，应有以下等式成立：2-5那么必须满足：2-52-7所以，电流调节器超前时间常数： =0.012s；电流环开环增益：要求si 5%时，按表2-2，应取，因此电流反应系数：于是，ACR的比例系数：2.4 校验近似条件电流环截止频率：1.

15、 晶闸管整流装置传递函数的近似条件>满足近似条件。2. 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件<满足近似条件。3. 电流环小时间常数近似处理条件>满足近似条件。2.5 电流调节器的实现含给定滤波与反应滤波的PI型电流调节器的电路原理图如下列图2-4所示。图2-4 含给定滤波与反应滤波的PI型电流调节器图中U*i为电流给定电压，-bId 为电流负反应电压，Uc电力电子变换器的控制电压。根据运算放大器的工作原理可以推导出以下公式：2-82-92-10由图2-4，按所用运算放大器R0=40k，各电阻和电容值为：0.2228.88，取9,取1.33,取0.25按照上面参数，由表2-3

16、可知，KT=0.5时超调量为4.3%<5%，满足设计要求。表2-3 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比z超调量s上升时间 tr峰值时间 tp相角稳定裕度 g 截止频率wc1.00 %¥¥ 76.3°0.243/T0.81.5%6.6T8.3T 69.9°0.367/T0.7074.3 %4.7T6.2T 65.5°0.455/T0.69.5 %3.3T4.7T 59.2 °0.596/T0.516.3 %2.4T3.2T 51.8 °0.786/T第三章

17、 转速调节器的设计3.1 电流环的等效闭环传递函数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。由典型I型系统结构框图可知3-1忽略高次项，上式可降阶近似为3-2近似条件为3-3式中w cn为转速环开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为3-4这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数1/KI的一阶惯性环节。3.2 转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图1-5 中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图3-1所示。图3-1 转速环的动态结构图和电流环中一样，把转

18、速给定滤波和反应滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 /a，再把时间常数为1/KI 和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个小惯性环节，其中3-5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 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3-6式中 Kn 转速调节器的比例系数； tn 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3-7令转速环开环增益为3-8那么 3-9校

19、正后的系统结构图如下列图3-2。图3-2 校正后系统结构图确定各个时间常数：1） 电流环等效时间常数1/KI：由电流调节器设计知，KI0.5，那么0.0058s=0.0116s2) 转速滤波时间常数Ton：由可得Ton=0.015s。3转速环小时间常数：0.0116s+0.015s=0.0266s。3.3 转速调节器的参数计算转速调节器的参数包括Kn和tn。按照典型型系统的参数关系，取h=5，有ASR的超前时间常数： =50.0266s=0.133s转速开环增益：于是可得ASR的比例系数：3.4 检验近似条件由式 3-10知转速环截止频率为：1电流环传递函数简化条件为>满足近似条件。2）

20、 转速环小时间常数近似处理条件：>满足近似条件。3.5 转速调节器的实现含给定滤波和反应滤波的PI型转速调节器原理图如图3-3所示，图中为转速给定电压，-an为转速负反应电压，的输出是电流调节器的给定电压。根据运算放大器的特点得出各参数公式如下。 3-11 3-12 3-13图3-3 含给定滤波与反应滤波的PI型转速调节器取R0=40k，由公式3-11、3-12和3-13得：，取285k;,取0.47;,取1.5第四章 转速调节器退饱和时转速超调量的计算当h=5时，由表4-1查得，sn=37.6%，不满足sn 10%的条件。实际上，由于表3-1是按线性系统算的，而突加阶跃给定时，ASR饱

21、和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。如果调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大的范围内线性工作，那么双闭环系统启动时的转速过渡过程就会产生超调量较大。实际上，突加给定电压后，转速调节器很快进入饱和状态，输出恒定的限幅电压，使电动机在恒流的条件下起动，而转速那么按线性规律增长。表4-1 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标h345678910str / Tts / Tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25

22、123.3%3.3514.201计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法处理。当ASR饱和时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电压，如果忽略电流环短暂的跟随过程，其输出量也根本上是恒值Idm，因而电动机根本上按照恒加速起动。这一阶段完成时有ASR退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，系统的结构框图如图4-1所示。描述系统的微分方程和前面分析线性系统跟随性能时相同，只是初始条件不同了。分析线性系统跟随性能时，初始条件为n(0)=0,Id(0)=0。讨论退饱和超调时，其初始条件是n(0)=,由于初始条件发生了变化，尽管两种情况的动态结构图和微分方程完全一样，过渡过程还是不同的。图4-1 A

23、SR退饱和后系统结构框图当ASR选用PI调节器时，上图电流作用点前面的环节可以归纳为，由于对我们的目的有用的是在稳态转速以上超调的局部，即只考虑实际转速与给定转速的差值，相应的可以把图4-1的坐标原点转移，初始条件换为n(0)=0, 。由于图4-2的给定为零，可以不画，而把的负反应作用反映到主通道的第一个环节输出量上来，这里不再赘述。 图4-2 以转速超调值为输出量的结构图将图4-2和讨论典型型系统抗扰性能所用的结构图相比，不难发现它们完全一样，因此可以利用典型型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量。在典型型系统抗扰性能指标中 4-1比照图4-2知，而 4-2所以的基准值是 4-3令表示电机允许的过载倍数，即 4-4z表示负载系数，那么 4-5为调速系统的额定稳态速降，=，代入式4-3可得 4-6作为转速的超调量，其基准值应该是，因此退饱和超调量可以由表4-2列出的数据经基准值换算后求得，即=2 4-7根据条件，由式4-4解得=