双闭环调速系统ASRACR结构参数设计要点计划

1、目录第一章.绪论11.1双闭环调速系统介绍错误！不决义书签。1.2双闭环调速系统的实质动向结构框图11.3设计原则21.4工程设计方法2第二章.电流调治器的设计22.1确准时间常数22.2选择电流调治器结构42.3计算电流调治器的参数52.4校验近似条件52.5计算调治器电阻和电容6第三章.转速调治器的设计73.1电流环的等效闭环传达函数73.2转速环结构的化简和转速调治器结构的选择83.3转速调治器的参数的计算113.4校验123.5计算调治器电阻和电容123.6校核转速超调量13第四章.转速调治器退饱和时转速超调量的计算13第五章.总结165.1遇到的问题165.2学习收获16第六章.参照

2、书目17Idm的恒那么，双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计第一章1.1双闭环调速系统介绍转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用转速负反响和PI调治器的单闭环直流调速系统能够在保证系统牢固的前提下实现转速无静差。但是，若是对系统的动向性能要求较高，比方：要求快速起制动，突加负载动向速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这是由于在单闭环系统中不能够为非作歹地控制电流和转矩的动向过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反响环节是特地用来控制电流的，但它只幸亏高出临界电流值Idcr今后，靠强烈的负反响作用限制电流的冲击，其实不能够很理想地控制电流的动向波形。

3、为了实现在赞同条件下的最快起动，要点是要获得一段使电流保持为最大值流过程。依照反响控制规律，采用某个物理量的负反响就可以保持该量基本不变，采用电流负反响应该能够获得近似的恒流过程。为了实现转速和电流两种负反响分别起作用，可在系统中设置两个调治器，分别调治转速和电流，即分别引入转速负反响和电流负反响。1.2双闭环调速系统的实质动向结构框图Ui(s)E(s)IdL(s)Un(s)11Uc(s)KsUd0(s)1/RId(s)R1n(s)ASRTois1ACRTss1Tls1TmsCeTons1电流环Tois1Tons1图1-1双闭环调速系统的动向结构框图双闭环调速系统的实质动向结构框图如图1-1。

4、由于电流检测信号中常含有交流重量，为了不使它影响到调治器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传达函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。但是，在控制交流重量的同时，滤波环节也延缓了反响信号的作用，为了平衡这个延缓作用，在给定信号通道上加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反响信号经过相同的延时，使得二者在时间上恰好的配合。1由测速发电机获得的转速反响电压含有换向纹波，所以也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。依照和电流环相同的道理，在转速给定通道上也加入时间常数Ton的给定滤波环节。1.3设计原则本次课程设计为应用工

5、程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调治器。依照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，渐渐向外扩展。在双闭环系统中，应该第一设计电流调治器，尔后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调治器。第一考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以获得理想的堵转特点，所以采用型系统就够了。再从动向上看，实质系统不相赞同电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动向过程不高出赞同值，而对电网电压颠簸的及时抗扰作用可是次要的因素。所以电流环应以随从性能为主，即应选择典型型系统。对于转速环，由于要求满足系统抗搅乱性能好、转速无静差，并且系

6、统结构决定将转速环校正成典型系统。1.4工程设计方法大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。将实质系统校正或简化成典型系统的形式再与图表比较，设计过程就简略多了。调治器的设计一般分为两步：选择调治器结构,使系统典型化并满足牢固和稳态精度。设计调治器的参数，以满足动向性能指标的要求。这样做，就把稳、准、快和抗搅乱之间相互交织的矛盾分成两步来解决。第一步，先解决主要矛盾，即动向牢固性和稳态精度，尔后在第二步中再进一步满足其他动向性能指标。第二章.电流调治器的设计2.1确准时间常数在图2-1点划线框的电流环中，反电动势与电流反响的作用相互交织，这将给设计工作带来麻烦。实质上，反电动势与转

7、速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，所以，转速的变化经常比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，能够认为反电动势基本不变，即E0，这样，在按动向性能设计电流环时，能够暂不考虑反电动势变化的动向影响，获得的电流环的近似结构框图如图2-1。2Ui(s)1Uc(s)KsUd0(s)1/RId(s)Tois1ACRTss1Tls1Tois1图2-1忽略反电动势的动向影响若是把给定滤波和反响滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成Ui(s)/，则电流环便等效成单位负反响系统，如图2-2。Ui(s

8、)Uc(s)Ks/RId(s)Tois1ACR(Tss1)(Tls1)图2-2等效成单位负反响系统1）整流装置滞后时间常数Ts.。按表2-1，三相桥式电路的平均失控时间Ts0.0017s。表2-1各种整流电路的失控时间整流电路形式最大失控时间Tsmax/ms平均失控时间Ts/ms单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.672）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms,所以取Toi=2ms=0.002s，3）电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似办理，取TiTsToi=

9、0.0037s。则电流环结构框图最后简化成图2-3。3Ui(s)Ks/RId(s)ACR1)(Tls1)(Tis图2-3小惯性环节近似办理2.2选择电流调治器结构图2-3表示，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的调治器，其传达函数能够写成Ki(is1)（2-1）WACR(s)is式中Ki-电流调治器的比率系数-电流调治器的超前时间常数为了让调治器零点与控制对象的大时间常数极点抵消，选择iTl（2-2）则电流环的动向结构框图便成为图2-4所以的典型形式，其中KiKs1（2-3）KI2TiiRUi(s)KIId(s)s(Tis1)图2-4校正成典型型系统电流环动向结构

10、框图图2-5绘出了校正后电流环的开环对数幅频特点.4L/dB20dB/dec1OTici/s140dB/dec图2-5校正成典型型系统电流环开环对数幅频特点2.3计算电流调治器的参数表2-2典型型系统动向随从性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7076500超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角牢固裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T由式2-1能

11、够看出，电流调治器的参数是Ki和i，其中i（电流调治器超前时间常数）=Tl=0.031，待定的只有比率系数Ki，可依照所需的动向性能指标采用。设计要求电流超调量i5%，由表2-2，可选0.707，KITi0.5，且已知TiTsToi=0.0017+0.002=0.0037s，所以，电流环开环增益：KI=0.50.5135.1s1Ti0.0037双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调治器都不饱和时。各变量之间的关系：UnUnnn0UiUiIdIdm已知两个调治器的输入和输出最大值都是10V，额定转速nN375r/min，额定电流IN760A，过载倍数=1.5，则：转速反响系数：Un*100.027

12、Vmin/rnN3755电流反响系数：Ui*100.0088V/AIN1.5760由式（2-2）和（2-3），且已知Tl=0.031s，R=0.14，Ks=75，则电流调治器的比率系数：TlR0.0310.14KiTi2750.00880.88862Ks0.00372.4校验近似条件Tl0.0311）检查对电源电压的抗扰性能：8.378，参照表2-3的典型型系统动向0.0037Ti抗扰性能都是能够接受的。表2-3典型型系统动向抗扰性能指标与参数的关系T1T1111mT25102030T2Cmax100%55.5%33.2%18.5%12.9%Cbtm/T2.83.43.84.0tv/T14.7

13、21.728.730.4电流截止频率：ciKI135.1s12）晶闸管整流装置传达函数的近似条件11196.1s1ci3Ts30.0017满足近似条件。3）忽略反电动势变化对电流环动向影响的条件，已知Tm=0.112s311350.19ciTmTl0.1120.031满足近似条件。4）电流环小时间常数近似办理条件1111180.8s1ci3TsToi30.00170.002满足近似条件。2.5计算调治器电阻和电容含给定滤波和反响滤波的模拟式PI型电流调治器原理图如图2-6，图中Ui为电流给定电压，Id为电流反响电压，调治器的输出就是电力电子变换器的控制电压Uc。依照运算放大器的电路原理，且已知

14、R040k,能够简单地导出：6KiRiRiKiR00.88864035.544K，取35kR0iRCiiCiiTi0.0318.857107F0.8857uF，取0.886uFRiRi35103Toi1Coi4TOi40.022106F2uF，取2uF4R0CoiR040103RiCiR0R022Ui-AUc+Coi+R0R022RbalIdCoi图2-6含给定滤波与反响滤波的PI型电流调治器依照上述参数：Ri=35K，Ci=0.886uF，Coi=2uF，电流环能够达到的动向随从性能指标为i4.3%5%（见下表2-4），满足以上要求。表2-4典型型系统动向随从性能指标和频域指标与参数的关系参

15、数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070605超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T4.7T3.6T7相角牢固裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T第三章转速调治器的设计3.1电流环的等效闭环传达函数电流环经化简后可视作转速环中的一个环节，为此需要求出它的闭环传达函数Wcli(s)，由图3-1可知：Ui(s)KIId(s)s(Tis1)图3-1校正成典型型系统电流环动向结构框图KIId(s)s(

16、Tis1)1（3-1）Wcli(s)KITi1Ui(s)/s2s111)KIKIs(Tis忽略高此项，Wcli(s)可降阶近似为：1Wcli(s)（3-2）1s1KI接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui(s)，所以电流环在转速环中应等效为：1Id(s)Wcli(s)Ui(s)（3-3）1s1KI这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，能够近似地等效成只有较小时间常数1KI的一阶惯性环节。这表示，电流的闭环控制改造了控制对象，加速了电流的随从作用。3.2转速环结构的化简和转速调治器结构的选择用电流环的等效环节代替图3-2中的电流环后，整个转速控制系统的动向结构框图如图3-3

17、所示。8Ui(s)E(s)IdL(s)Un(s)1ASR1ACRUc(s)KsUd0(s)1/RId(s)R1n(s)Ts1Tois1Ts1Tls1TsConsme电流环Tois1Tons1图3-2双闭环调速系统的动向结构框图1IdL(s)Un(s)1Ui(s)Id(s)Rn(s)Tons1ASR1s1CeTmsKITons1图3-3用等效环节代替电流环和电流环中相同，把转速给定滤波和反响滤波环节移到环内，同时将给定信号改成Un(s)/，再把时间常数1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中Tn1，则转速环结构框图可化简成图3-4。TonKI*IdL(s

18、)Un(s)/Id(s)Rn(s)ASRTns1CeTms图3-4等效成单位负反响和小惯性的近似办理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必定有一个积分环节，它应该包含在转9速调治器中。现在扰动作用点后边已经有了一个积分环节，所以转速环开环传达函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型系统，这样的系统同时也能满足动向抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的计算数据，实质系统中转速调治器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。因此可知ASR也应该采用PI调治器，其传达函数为：Kn(ns1)WASR(s)（3-4）ns式中Kn-转速调治器的比率系数-转速调治器的超前时间常数Un(s)

19、KN(ns1)n(s)s2(Tns1)图3-5校正后成为典型系统这样，调速系统的开环传达函数为：Wn(s)Kn(ns1)R/KnR(ns1)nsCeTms(Tns1)nCeTms2(Tns1)令转速环开环增益KN为：KnR（3-5）KNCeTmn则：KN(ns1)（3-6）Wn(s)1)s2(Tns在典型系统的开环传达函数中，时间常数T是控制对象固定的，待定的参数有K和。为了解析方便，引入一个新的变量h，令hT2（3-7）110L/dBh40dB/decKgl20dB/dec0122OT11c/s1140dB/dec图3-6典型系统的开环对数幅频特点和中频宽由图可见，h是斜率为20dB/dec

20、的中频段的宽度，称作中频宽。由于中频段的状态对控制系统的动向质量器决定性的作用，所以h是一个很重要的参数。在一般情况下，1点处在40dB/dec特点段，由图3-4能够看出20lgK40(lg1lg1)20(lgclg1)20lg1c所以K1c（3-8）在工程设计中，若是两个参数都任意选择，工作量显然很大，为此采用“振荡指标法”中的闭环幅频特点峰值Mr最小准则，能够找到h和c两个参数之间的一种最正确配合。这一准则表示，对于必然的h值，只有一个确定的c（或K）能够获得最小的闭环幅频特点峰值Mrmin，这时c和1，2之间的关系是2c2h（3-9）h1ch1（3-10）2以上两式称作Mrmin准则的“

21、最正确频比”，所以有2c2hc2121h1chc1(12)1(11)（3-11）22T确定h此后依照式（3-7）和式（3-11）即可分别求得和c。依照（3-8）和（3-11）可得2K1c1h1(1)2h1h1（3-12）2hT22h2T2由式（3-12）可知转速环开环增益KN为h1（3-13）KN2T2n2h11所以Kn(h1)CeTm（3-14）2hRTn3.3转速调治器的参数的计算已知KITi0.5，Ti=0.0037s，则电流环等效时间常数：12Ti20.00370.0074sKI已知Ton0.005s，则小时间常数近似办理的时间常数为：Tn10.0074+0.02=0.0274sTon

22、KI按跟平易抗扰性能都较好的原则，取h5，则ASR的超前时间常数为：nhTn50.02740.s13由式（3-13）可知转速环开环增益为：Knh125251160s22h2Tn20.02742由（3-14）可知ASR的比率系数为：Kn(h1)CeTm60.00881.820.1122hRTn250.0270.1410.390.02743.4校验由式（3-12）可知转速环的截止频率为：cnKNKNn1600.13721.92s111）电流环传达函数化简条件1KI1135.113Ti363.7scn0.0037满足简化要求。2）转速环小时间常数近似办理条件1KI1135.127.39s1cn3To

23、n30.02满足近似条件。3.5计算调治器电阻和电容12RnCnR0R022UnA-Ui+Con+R0R022RbalnCon图3-7含给定滤波与反响滤波的PI型转速调治器依照图3-7，已知R040k，则KnRnRnKnR010.394041K5.，6取Rn=415KR0nRnCnCnn0.1373.301107F0.3301uF，取Cn=0.33uFRn415103Ton1R0ConCon4Ton40.022106F2uF，取Con=2uF4R0401033.6校核转速超调量表3-1典型系统阶跃输入随从性能指标（按Mrmin准则确定参数关系）h34567891052.6%43.6%37.6%

24、33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111当h5时，由表3-1，37.6%，不能够满足设计要求。实质上，由于表3-1是按线性系统计算的，而突加阶跃给准时，ASR饱和，不吻合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。13第四章转速调治器退饱和时转速超调量的计算计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法来办理。当ASR饱和时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电压Uim，若是忽略电流环短暂的随从过程，其输出

25、量也基本上是恒定值Idm，所以电动机基本上按恒加速度起动，其加速度为dn(IdmIdL)R（4-1）dtCeTm这个加速过程素来连续到t2时刻nn时为止。取式（4-1）的积分，得t2CeTmn（4-2）(IdmIdL)R考虑到Kn(h1)CeTm和Unn，UimIdm，则2hRTnt2(2h)KnUnTn（4-3）h1UimIdLASR退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，系统的结构框图见图4-1。描述系统的微分方程和前面解析线性系统的随从性能时相同，可是初始条件不相同了。解析线性系统随从性时，初始条件为n(0)0，Id(0)0谈论退饱和超调时，饱和阶段的终了状态就是退饱和阶段的初始状态，可是

26、把时间坐标零点从t0移到tt2时刻即可。所以，退饱和的初始条件是n(0)n，Id(0)Idm由于初始条件发生了变化，尽管两种情况的动向结构框图和微分方程完好相同，过渡过程还是不相同的。所以，退饱和超调量其实不等于典型系统随从性能指标中的超调量。当ASR采用PI调治器时，图4-3所示的调速系统结构框图能够绘成图4-1。由于感兴趣的是在稳态转速n以上的超调部分，即只考虑nnn，能够把初始条件转变成n(0)n，Id(0)Idm。由于图4-2的给定信号为零，能够不画，而把n的反响作用反响到主通道第一个环节的输出量上，获得图4-3。为了保持图4-3和图4-2各量间的加减关系不变，图4-3中的Id和IdL

27、的+、-号相应的变化。*IdL(s)Un(s)Id(s)Rn(s)Kn(ns1)ns(Tns1)CeTms图4-1调速系统的等效动向结构框图以转速n为输出量14IdL(s)0n(s)Kn(ns1)Id(s)Id(s)Rn(s)ns(Tns1)CeTms图4-2调速系统的等效动向结构框图以转速超调值n为输出量IdL(s)Kn(ns1)Id(s)Id(s)Rn(s)ns(Tns1)CeTms图4-3调速系统的等效动向结构框图图4-2的等效变化能够把退饱和超调看作是在IdIdm的负载下以nn牢固运行，在tt2时刻负载由Idm减小到IdL，转速产生一个动向速升与恢复的过程。可利用表4-1给出的典型系统

28、抗扰性能指标来计算退饱和超调量，只要注意n的基准值即可。表4-1典型系统动向抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cmax/Cb72.2%775%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型系统抗扰性能指标中，C的基准值的为Cb2FK2T（4-4）可知K2R，TTn，FIdmIdLCeTm所以n的基准应是2RTn(IdmIdL)(4-5)nbCeTm令表示电机赞同的过载倍数，即IdmIdN，z表示负载系数，Id

29、LzIdN，nN为调速15系统开环机械的额定稳态速降，nNIdNR，代入（4-5），可得CeTnnb2(z)nNTm（4-6）作为转速的超调量n，其基准值应该是n，所以退饱和超调量能够由表4-1列出的Cmax/Cb数据经基准值换算后求得，即n(Cmax)nb2(Cmax)(z)nNTn（4-7）CbnCbnTm设理想空载起动时z0，已知电机赞同的过载倍数1.5，R=0.14，IdN760A，nN375r/min，Ce1.82Vmin/r，Tm0.112s，Tn0.0274s。当h5，由表4-2查得Cmax/Cb=81.2%，表4-2典型系统动向抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cmax/Cb72.2%775%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.45