双闭环直流调速完整系统课程设计报告书

1、课程设计报告书题 目电气传动自动控制系统报告人：学 号：班 级：指导教师：完成时间： 年 月 日同组人：电气信息学院专业实验中心目录：第一部分：设计任务1. 任务分析32设计目标33.设计理论43客观条件6第二部分：系统建模1. 系统固有参数测定实验内容7第三部分：系统设计1. 系统理论设计内容 132. Matlab 仿真17第四部分：系统调试1. 单元调试222. 系统调试22第五部分：系统评估1. 系统实际性能评价272. 系统误差分析273. 必要的实验问题分析 28第六部分：总结28第七部分：参考文献29第七部分：原始数据单第一部分：设计任务1 .任务分析采用转速、电流双闭环晶闸管不

2、可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR都采用PI调节器，以便能保证系统获得良好的静态和动态性能转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用是减小转速误差，采用PI调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅决定电动机允许的最大电流对电网电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用是使电流紧紧跟随其给定电压的变化;

3、的波动起及时抗干扰作用;加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用2. 设计目标:*性能指标:静态：s% <5%*已知条件：最大速度给疋U* nm=5v最大电流给疋U*im=5v最大电枢电流Idm=1.4A电流反馈强1 = 5v/ 1.4A速度反馈强度飞=5v/ 1450rpm调节器输入电阻RO=20K 门调节器输入滤波电容COi :=0.224Con= 0.1045%；F% <10%*系统电路结构示意图:动态：d% <3. 设计理论:(1) 设计思路:给定系统静、动态性能指标实验获取系统固有设备原始参数系统数学建模系统模型处理(典型化)设计调节器结构和参数构建和调试系统(

4、2) 调速控制系统的一般动态性能指标:1.跟随性能超调里'、-(%)反映系统的动态调节稳定性能上升时间tr反映系统的动态调节快速性能调节时间ts反映系统的动态调节过渡周期2.抗扰性能动态降落比 Cmax%反映系统扰动引起的最大动态误差恢复时间tr反映系统的动态抗扰调节快速性能上述指标对应的给定和扰动均为阶跃信号(3) 典型结构系统的参数与性能的关系*典型I型系统KWs；开环传递函数S Ts 1结构简单，易于稳定*典型n型系统W =K S 1 ；开环传递函数s s2 Ts 1利用比例微分环节，补偿s2引起的相位滞后，保证稳定性*典型I型系统的稳态及动态性能与参数二阶系统闭环传递函数：Wc

5、tS =s2 2 'nS 2典型I型系统特性参数:*典型I型系统的参数KT与跟随性能稳态跟随性能：动态跟随性能：典型I型系统的抗扰性能：假定系统经串联校正后开环传函为W(s)系统前向通道被扰动输入点分为W1(s)、W2(s)两部分其中W1(s)内含PI调节器典型n型系统的稳态及动态性能与参数K s 1s2 Ts 1典型n型系统特征参数：h二；中频宽(4) 非典型型系统的典型化之一择选调节器结构的一般原则：1. 根据系统调节性能要求，选择典型I、n型系统目标模型2. 调节器串联进原始对象模型的前向通道后，通过传递函数的乘积或对消运算应能将系统改造为 期望 的典型I或 n型系统结构(5)

6、非典型型系统的典型化之二当系统的原始模型具有高阶较复杂形式时的一般处理：1. 小惯性环节的近似处理2. 高阶系统的降阶近似处理3. 大惯性环节的近似处理特别提示：每一种近似处理都存在工程约束条件，使用时须校验是否满足约束条件(6) 双环调速系统动态结构示意图欣41系统设计的一般原则：“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4客观条件：使用设备列表清单：电力电子及电气传动教学实验台MCL III电动机数字万用表 GDM 8145示波器TDS 2012第二部分：系统建模系统建模参数测定实验待测参数：1.

7、 电动机2. 整流电源3. 平波电感4. 电枢回路1变流电源内阻实验原理：电枢内阻电势转速系数等效内阻放大系数直流内阻总电阻电磁时间常数机电时间常数Rn的测定（伏安法RaCeRnKsRdR 刀=Ra+ Rn+ RdTLTm)条件：电机静止，电枢回路外串限流电阻固定控制信号 Uct 大小，0.5A < Id < 1AU d 2 -U d1d1 T d2原始数据:Uct=1.3v 时：Ud仁 173v,ld1=0.5AUd2=169v,ld2=0.8A数据处理：Rn=(Ud2-Ud1)/(ld1-ld2)=(169-173)/(0.5-0.8)=13.33 Q2电枢内阻Ra、平波电感内

8、阻 Rd测定（伏安法）实验原理：（1）电机静止，电枢回路外串限流电阻（2） 固定控制信号 Uct大小，Id疋1A（额定负载热效点）（3）使电枢处于三个不同位置（约 120o对称）进行三次测量（Ura, Urd , Id），求Ra ,Rd的平均值原始数据：Uct=1.3v ,Id=1A 时:角度（度）Ura(v)Urd(v)Id(A)021.1711.85112021.1511.84124021.3612.031数据处理：Ra1=Ura1/Id1=21.17/1=21.17 QRa2=Ura2/Id2=21.15/仁21.15 QRa3=Ura3/ld3=21.36/仁21.36 QRa=(Ra

9、1+Ra2+Ra3)/3=(21.17+21.15+21.36)/3=21.23 Q同理：Rd=(Rd1+Rd2+Rd3)/3=(11.85+11.84+12.03)/3=11.91 Q所以，电枢回路总电阻刀 R=R n+Ra+Rd=13.33+21.23+11.91 =46.47 Q3电动机电势转速系数Ce的测定实验原理：1. 空载启动电机并稳定运行(Id0大小基本恒定)2. 给定两个大小不同的控制信号Uct ,测量两组稳定运行时的Ud、n数据CeU d2 -U d1原始数据:ldO=O.1A 时:Uct(v)Ud(v)n (rpm)0.801429601.301991360数据处理:Ce=

10、(Ud2-Ud1)/( n2-n1)=(199-142)/(1360-960)=0.1425v/rpm所以，UdOmax=Ce*N+ 刀 R*ldm4整流电源放大系数Ks的测定实验原理：电机静止，电枢回路外串限流电阻(1) 分级调节控制信号 Uct大小，并保持Id < 1A(2) 在UdO有效范围内，测量每一组Uct , Ud , Id，数据应大于10组以上，测量上限不低于最大理想空载整流输出电压UdOmax(3) 按UdO = Ud+Id x Rn作出电源输入-输出特性曲线(用Excel生成)(4) 取线性段3段以上斜率，求其平均值得Ks原始数据:Uct(v)Ud(v)Id(A)Ud0

11、= Ud+Id x Rn0.821080.2110.670.981310.25134.331.161550.3160.001.191580.35162.671.401800.40185.331.612000.45206.001.882200.5226.672.172370.55244.332.722600.60268.002.902650.65273.663.882860.70295.334.472930.75303.009.183110.80321.66数据处理:由图可知，前6个点构成的曲线为线性段，故取前6个点对应的值计算 Ks。Ks仁(Ud03-Ud01)/(Uct3-Uct1)=145

12、.09Ks2=(Ud04-Ud04)/(Uct4-Uct4)=134.94Ks3=(Ud05-Ud05)/(Uct5-Uct5)=105.54Ks4=(Ud06-Ud06)/(Uct6-Uct6)=103.17Ks=(Ks1+Ks2+Ks3+Ks4)/4=122.25.电枢回路电磁时间常数TL的测定实验原理：断开电枢回路连线使 用 电 感 表 测 量 电 枢 回 路 总 电 感 量原始数据：La=0.3HLd=0.65H数据处理：L=La+Ld=0.95HTL=L/ 刀 R=0.02s5.电枢回路机电时间常数Tm的测定实验原理：（1 ）电机空载，突加给定，并使起动峰值电流达到系统设定最大电流I

13、dm（2）记录id 波形，由下列公式计算Tmn iIdinTCeT - T = C i - C Izm aanGD 2 dn375 dt事GD R y 处二I _丁鱼375 CeCm 出 1 m dtUS fA)实验测得波形:TekJk極pM Pos; -50.00ms SAVE.REC "II "II II NJ动作存图像Pill 1 Fill 1 Fill 1_i_r _1_i_a_b_i_i_1 1 R -t r 1 1 R 11 1 1 n 1 1 1 1 |I 1 1 1 4 F 1 1 R 1 1 4 1.i匚ii:ii:ii i : i 1 d i : i b

14、 d上格式关于 存图像 选择 文件夹 储存 TEKOQOOIJPGM 50Jims当刖目录是？数据处理:Tm=S/(ldm-ldz)=8.38*1v*50ms/7v=0.06s第三部分：系统设计1.系统理论设计内容(1)双环调速系统电流调节器(ACR )的设计*设计理论 E-0，断开电机电动势反T刀i=Ts+Toi，小时间常数近似处理ACR(TLS+1)(TS + 1)将电流环校正为典型I型系统，保证电流调节有较强跟随性；由性能指标及所选结构确定开环增益KI和比例放大系数 Ki ;Ki = Ri/RO.i = RiCiRi CiED/2匸RD/2CDEO/2&0/2工CoiRbtl电流

15、调节器的实现*电流调节器的设计1确定时间常数：a） 整流装置滞后时间常数Ts。三相桥是电路的平均失控时间Ts=0.0017s。b）电流滤波时间常数 T0i=1/4*R0*C0i=0.00112sc）电流环小时间常数之和TE i=Ts+Toi=0.00282s2选择电流调节器结构根据设计要求ci < 5%,并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器。3计算电流调节器参数a）电流调节器超前时间常数：t i=Tl=0.02s.b）电流环开环增益：要求d < 5%，应取KI*T E i=0.5,因此KI=0.5/ T E i=0

16、.5/0.00282=177.3/s于是，ACR的比例系数为Ki=KI* t i*R/（Ks* 3 心22*5/1.4） =0.3784校验近似条件电流环截止频率：Wci=KI=177.3/sa）晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/（3*Ts）=196.1/s>Wci满足近似条件。b）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件319. 6 2WciITmTI满足条件。c）电流环小时间常数近视处理条件11241.57 Wci3 ； TsToi满足近似条件。6.计算调节器电阻和电容已知R0=20k门，各电阻和电容值为：cTi0.02Ri=KiR0=7.55k 门 Ci=2.65uFRi 7.55

17、*1000按上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为二=4.3% ：5%，满足设计要求。7.计算PI参数Ki=0.378 , i =0.02s传递函数Wacr（s）Ki( iS 1)TiS0=0.378+空iSS（2）双环调速系统速度调节器（ASR ）的设计*设计理论电流环等效处理T刀n = 2T刀i +Ton，小时间常数近似处理将速度环校正为典型n型系统，保证速度调节有较强抗扰性;由性能指标及所选结构确定开环增益KN和比例放大系数 KnKn = Rn/ROn = RnCnEi CnRO/2 匚转速调节器的实现*转速调节器的设计1确定时间常数a）电流环等效时间常数1/KI ，已取KI T刀i

18、=0.5，则1/KI= 2T 刀 i =2*0.00282=0.00564sb）转速滤波时间常数 Ton=1/4*R0*Co n=0.00052s.c）转速环小时间常数 T刀n：按小时间常数近似处理，取T 刀 n=1/KI+To n=0.00616s2选择转速调节器结构按照设计要求，选用 PI调节器。3计算转速调节器参数按照跟随性和抗扰性能都较好的原则，取n=h T刀 n=5*0.00616=0.0308sh=5，则ASR的超前时间常数为:可求得转速开环增益KN=2你=3162.4于是，可得ASR的比例系数为(h +1 )PCeTmKn=18.62ha RTp4检验近似条件转速环截止频率为 W

19、cn=KN n=97.40 s'a）电流环传递函数简化条件为=83.58 S <Wcnb）转速环小时间常数近似处理条件为1 一177.33 0.00052=194.6 SJ>Wcn，满足近似条件。4. 计算调节器电阻和电容已知R0=20k门，则Rn=KnR0=372k 门mnCn= =0.83uFRn5. 校核转速超调量。当h=5时，由表查得,rn =37.6%。不满足设计要求。事实上，由表得出的是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，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。K 1 4m1.27，设理想空载启动时z=0,调速系统开环机械特性

20、的额定稳态速降IdN 1.1I r 11 疋 46 47满足设计要求。叽二主7=-0赢厂3587 r/min，由表查得 5X/Cb=81.2%,代入公式=5.25%<10%，能358.70.00616=2 81.2% 1.27 -14500.066. 计算PI参数。Kn=18.6 , n =0.0308s传递函数Wasr（s） Kn( nS 1)MSKn -Kn =18.6+"S603.9S2. MATLAB 仿真基于MATLAB仿真平台,利用理论设计的系统动态结构图,对如下条件时系统的阶跃响应进行仿真，评估并调试系统调节其参数；Un*=Un*m 时，负载 Id=Id0 （约

21、Idm/10）Un*=Un*m 时，负载 ld=ldm/2(1)电流环仿真电流环结构框图:仿真图如图所示:(2)转速环仿真:负载 ld=ldO (约 ldm/10 )时此时ASR限幅值为_U*im= _5v,ACR 限幅值为 +Uctm=1.747v负载ld=ldm/2时此时ASR限幅值为_U*im= _6.3v, ACR限幅值为+Uctm=1.96v电流仿真图像为：210-1: : .i.r1转速仿真图像为:为了更清楚的看见转速稳定时转速大小，将稳定时的图像放大可得:恒值（略低于Idm）,最后下降并保持在负载电流Idl。当负载ld=ldO （约ldm/10）时，ldl=0.14A，当负载 I

22、d=Idm/2 时，ldl=0.7A。由转速仿真图可知，当负载ld=ldO （约ldm/10）和负载ld=ldm/2时转速都稳定在 1450rpm，为该电动机的额定转速，且在到达额定转速前略有超调。这是由于当转速上升到给定值时，转速调节器 ASR的输入偏差减小到 0,但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电 动机仍在加速，使转速超调。只要ld仍大于负载电流ldl。转速就继续上升，直到ld=ldl，转速n才到达峰值。第四部分：系统调试1单元调试整定调节器ACR，ASR的运放输出限幅值1）将零速封锁器置于“解放“状态。2）按调节器设计参数 Rn,Cn,Ri,Ci将ASR，ACR接成Pl调节器。

23、3选择调节器任意有效输入端，分别加入正负输入电压信号（任意大小）。4）根据已知给定和 Ks曲线测量数据，调试 ASR，ACR的输出信号大小，并适当调节各自 发的正负限幅电位器（RP1和RP2），直至输出电压为设定限幅值（ ASR为一 U*im，ACR 为+Uctm ）。2. 系统调试电流环整定：1）断开电机励磁电源，电枢回路串联限流电阻预置在最大值。2）接通总电源，手动设定 Uct=5/2v，在接通主电路电源，适当减少电枢回路可调电阻使 电枢电流达到 Id=Idm/2。3） 测量并调整电流反馈（FBC+FA ）输出信号Ui=5/2（即调整电流反馈系数 一：）。4）断开总电源，将电流反馈（FBC

24、+FA ）输出信号Ui接入ACR输入端（“1”端），并完 成电流环全部正确的连线。转速环整定：1） 完成系统剩余部分连线（包括速度环，电流环的完整连线）。2） 将测速装置输出信号接入速度变换器输入端（FBS的“ 1” “ 2”端），FBS的输出端分别接至ASR输入端“ 1”和DZS （零速封锁器）的“ 2”端；同时DZS的“1”端 介入给定信号U*n。3） ASR的输入“ 2”端接入给定信号，输出端接入ACR任意有效输入端。4）接通电机励磁电源，接触电枢回路串联电阻。5）将零速封锁器置于“封锁”状态。6） 加入给定U*n，动机启动后加入发电机负载，当U*n=5v （系统最大给定），同步调节速度

25、反馈系数和负载强度，以满足n=nN，Id= IN。系统性能测定：1. 静态性能测试：在保证稳定性的条件下，在调速范围内，对应Un*=5v和5/3v,分别测量2条电动机静态特性曲线（每条特性由空载点到额定负载点不少于6组数据），并计算静差率s%。原始数据：Un*=5v 时Id/AId/A1.11.00.90.80.70.60.5n/rpmn/rpm1448144914501451145314541455Ud/v2362332312292282252232201457145614551454145314521451145014491448Un*=5v时双闭环直流调速系统静特性曲线数据处理:静差率s

26、ino1456 -14481448= 0.55%no442 - 434434-1.84%可见该系统转速的相对稳定性很好。Un*=5/3v 时：Id/A1.11.00.90.80.70.60.50.4n/rpmId/A1.11.00.90.80.70.60.5Ud/v9493898784827876443442441440439438437436435434433Un*=5/3v时双闭环直流调速系统静特性曲线数据处理：F面将两个静特性曲线置于同一图中分析比较:图中n1为Un*=5v时的静特性曲线，n2为Un*=5/3v时的静特性曲线。比较两组数据可得,Un*=5/3v时的静差率大于Un*=5v时

27、的静差率，而两者的额定速降*思考*为什么两者的静差率不等而机械硬度相等？静差率和机械特性硬度有什么区别？答：一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，如图中的特性曲线1和2，两者的硬度相同，额定速降UnN1 = UnN2，但他们的静差率不同，因为理想空载转速不一样。n根据静差率S的定义，由于nN1nN2，所以S|”：S2.这就是说，对于同样硬度的特性，n理想空载速降越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也越差。2. 动态性能分别在空载和0.5倍负载时，突加给定U*n=5v，观察电枢电流Id和转速n的波形，在 设计参数基础上调整 ACR，ACR的PI参数。使之满足设计要求，记录 id,

28、n的波形 并计算二i%和二n%。原始数据：调整 ASR 的 PI 参数，Rn=881Cn=0.1uF调整 ACR 的 PI 参数，Ri=20.7Ci=1.8uF在有负载时，突加给定 U*n=5v，观察电枢电流id和转速n的波形:M Pos: 9.216s存图像l> O' CH2 1.00V M 100m$当前目录是钻0.00V图中黄线为转速n波形，蓝线为电枢电流id波形。系统突加阶跃给定信号，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升；当Id > IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用， 转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而 A

29、CR 一般不饱和。直到Id = Idm , Ui=Uim*。电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个 线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。n上升到了给定值 n* , Un=0。因为Id>Idm ,电动机仍处于加速过程，使n超过了 n* ,称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了 U*0, ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。Id <Idl，转速由 加速变为减速，直到稳定。数据处理：计算转速超调量：二n%=° =6% -10%，满足设计要求。5计算电流超调量：G%=咚 =4.34% : 5%，满足设计要求。4.63. 断电，记录ACR

30、, ASR的最终整定PI参数值。Rn=88k 门 Cn=0.1uFRi=20.7 k 门 Ci=1.8uF计算实际ACR的PI参数：r 20 7Ki=1.035-i = RjCj=0. 03"SRo20计算实际ASR的PI参数：Rn88_Kn= -4.4.n =RnCn = °. 0088R020第五部分：系统评估*系统实际性能评估通过理论设计 ASR，ACR的PI参数，对双闭环直流调速系统进行仿真调试，在不同负 载情况下分别观察仿真波形，转速最终都稳定在1450rpm，电流最终稳定在负载电流，可见ASR,ACR使用PI调节器能实现无静差调节， 且双闭环调节系统能对负载变化

31、起抗干扰作用。 由图可看出，电流超调和转速超调都比较小，计算后符合设计要求 匚i %<5%和二n% <10%。在仿真数据基础上对实际双闭环调速系统调试，先进行静态特性测试，由静特性曲线知，该系统的静差率很小，转速相对稳定度高。整定 ACR，ACR的PI参数，在示波器上观察电 枢电流Id和转速n的波形，经计算，符合设计要求 二i%<5%和二n %<10%，且系统的快速 性较好。综上所述，该双闭环直流调速系统的ASR和ACR采用PI调节器时系统获得良好的静态和动态性能。*系统误差分析1设计原理：按工程设计方法设计双闭环系统的调节器，在理论设计时将电流调节器和转速调节器均近似

32、看做一个惯性环节，存在一些近似处理，所以与实际相比存在误差。2实验条件：1） 实验室采用的模拟电动机性能不如实际电动机好，在测量转速，电流等数据时存在一 些误差。2）实验室装置和采用的仪表精度问题使实验存在不可避免的系统误差。3） 在仪表上读电流和转速时，由于系统不稳定，使数据上下波动，尤其是电流表指针存 在抖动现象，使读取数据存在误差。3数据处理：1）系统建模参数测定实验中，计算整流电源放大系数Ks时，取线性段4段斜率，再计算平均值，由于电源输入一输出曲线并非线性，由此求出的Ks存在误差。s2）计算电枢回路机电时间常数Tm=时，s通过数格子的方法求得，格子数存1 dm - 1 dz在近似处理，并不是很精准，求得的系统参数存在误差。3）计算超调量 二i%和二n%时，由于波形曲线较粗且存在毛刺，读数据时是估度，使实验结果存在误差。4人为因素：读数时应两眼平视指针，且正对着指针，而我们在读数时常常忽略这点，从上往下看指