自动控制系统课程设计要点.pdf
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1、课 程 设 计 任 务 书 专 业班 级姓 名 设 计 起 止 日 期 设计题目: 设计任务(主要技术参数) : 指导教师评语: 成绩:签字: 年月日 双闭环直流调速系统的设计 班级: 08t 自动化 1 学号: T0856120 姓名:周瑜 指导教师:李雪飞 设计时间: 2011.12.20-2011.12.24 目录 1 课程设计的目的, 1 2 课程设计的主要内容, 1 2.1 系统的组成 , 1 2.2 系统的工作原理 , 2 2.3 系统的静特性分析 , 2 2.4 系统的动态过程分析 , 3 2.5 电流调节器的设计 , 4 2.6 转速调节器的设计 , 7 2.7 电流环的仿真
2、, 9 2.8 转速环的仿真 , 11 2.9 过电流保护 , 16 3 设计结果分析,17 3.1 电压变化和负载变化引起的扰动情况, 17 3.2 转速、电流双闭环直流调速系统存在的缺点及解决方案, 18 3.3 电流调节器和转速调节器的作用, 19 3.4 采用转速电流双闭环直流调速系统的理由, 19 4 设计心得体会,21 参考文献, 22 课程设计说明书NO.1 1 课程设计的目的 自动控制系统课程设计是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是使 学生巩固和加深课程的理论知识,结合实际,融会贯通。进一步培养学生独立分 析和解决实际工程技术问题的能力。充分发掘自身的潜力,开拓思路设计双闭
3、环 直流调速系统。并掌握其系统的组成、工作原理、调节器的设计及Simulink 仿真 等内容,同时在计算、绘图、编号、设计说明书等方面得到训练,为今后的学习 工作奠定基础。 2 课程设计的主要内容 2.1 系统的组成 如图 1 所示,为了使转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两 个调节器,即转速调节器(ASR )和电流调节器( ACR ) ,二者之间实行嵌套(或称 串级)连接,且都带有输出限幅电路。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、电流反馈控制
4、直流调速系统 1 。图中 ASR为转速调节器, ACR 为电流调节器, TG为测速发电机, TA为电流互感器, UPE为电力电子变换器, * n U 为转速给定电压, n U 为转速反馈电 压, * i U 为电流给定电压, i U 为电流反馈电压。 图 1 双闭环直流调速系统 沈阳大学 课程设计说明书NO.2 2.2 系统的工作原理 如图 2 所示,图中标出了两个调节器输入输出的电压的实际极性,他们是按 照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的 倒相作用。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PI 调节器。 在启动过程中由于外环很快达到饱和
5、,只有电流负反馈起作用,此时相当于 在最大允许起动转矩的情况下进行恒流起动,系统能获得最大的加速度,且电流 和转速负反馈分别加到两个调节器的输入端,到达稳态转速后,转速环起作用, 系统进行转速调节,使转速稳定,此时电流环只起跟随作用,这样就可以实现准 时间最优控制,使系统能够获得良好的静、动态性能。 图 2 双闭环直流调速系统电路原理图 2.3 系统的静特性分析 双闭环直流调速系统的稳态结构如图3 所示,两个调节器均采用带限幅作用 的 PI 调节器。转速调节器ASR 的输出限幅电压U * im 决定了电流给定的最大值,电 流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电
6、压Udm 1 。 分析静特性的关键是掌握PI 调节器的稳态特征,一般使存在两种状况:饱和 输出达到限幅值,不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时,输出达到限 沈阳大学 课程设计说明书NO.3 幅值,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 调节器工作在线性调节状态,其作用是使输入偏差电 压U在稳态时为零。 图 3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数电流反馈系数 2.4 系统的动态过程分析 双闭环直流调速系统突加给定电压U * n 由静止状态起动时,转速和电流的
7、动态 起动过程如图 4 所示。由于在启动过程中,转速调节器ASR历经了不饱和、饱和、 退饱和三种情况,整个动态过程就分为图中标明的、三个阶段。第阶 段是电流上升阶段。第阶段是恒流升速阶段。第阶段是转速调节阶段。 图 4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 沈阳大学 课程设计说明书NO.4 双闭环直流调速系统由直流电动机环节、功率驱动环节、电流转速控制环节 共同构成,通过推导可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如图5 所示。双 闭环直流调速系统为了实现转速和电流两种负反馈的作用,分别设置了转速调节 器 ASR W和电流调节器 ACR W。两个调节器一般都采用PI 调节器, ASR W在
8、实际运行 中可能处于不饱和、饱和两种状态。其次,双闭环调速系统包含可电流、转速两 个控制回路,所以系统不能简单地用线性控制理论分析 2 。 用工程设计的方法来设计转速、电流双闭环直流调速系统的两个调节器,应 按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,逐步向外扩 展。在双闭环系统中,应该首先设计电流调节器,然后把整个电流环看作是转速 调节系统的一个环节,再设计转速调节器。双闭环直流调速系统的动态结构图如 图 5 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。有测速发电机得到的转速反馈电压含有换向文波,因此也需要滤波,滤 波时间常数用 Ton表示。根
9、据和电流环一样的道理,在转速给定通道上也加入时间 常数为 Ton的给定滤波环节。 图 5 双闭环直流调速系统的动态结构图 2.5 电流调节器的设计 整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下: 直流电动机: 220V,136A,1000r/min , e C =0.192Vmin/r ,允许过载倍数=1.5; 晶闸管装置放大系数: Ks=44; 电枢回路总电阻: R=1; 沈阳大学 课程设计说明书NO.5 时间常数: Tl=0.0167s,Tm=0.075s; 电流反馈系数:=0.05V/A(10V/1.5I N ) 。 设计要求:设计电流调节器,要求电流超调量 i5% 。 (1)确定时间常数 整
10、流装置滞后时间常数Ts=0.00167s。 电流滤波时间常数Toi。三项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=3.33ms,因此取 Toi=2ms=0.002s。 电流环小时间常数之和T i = T s+ Toi =0.00367。 (2)选择电流调节器结构 根据设计要求 i 5% ,并保证稳态电流无差,可按典型型系统设计电流调 节器。电流环控制对象是双惯型的,因此可用PI 型电流调节器,其传递函数为: W ACR (s)= s sK i ii )1( 检查对电源电压的抗扰性能: i l T T 00367.0 0167.0 4.55 ,各项指标都是可以
11、接受 的。 (3)计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数: li T =0.0167s。 电流环开环增益:要求 i 5% 时,应取 i IT K=0.5,因此 KI= i T 5.0 = 00367.0 5 .0 s 1 136.2 s 1 于是, ACR的比例系数为 i K s iI K RK = 05.0*44 1*0167.0*2.136 1.034 沈阳大学 课程设计说明书NO.6 (4)校验近似条件 电流环截止频率: Ici K =136.2 s 1 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 s T3 1 = 00167.0*3 1 s 1 199.6 ci 满足近似条件 校验忽略反
12、电动势变化对电流环动态影响的条件 3 lmT T 1 =3* 075.0*0167.0 1 s 1 84.8 ci 满足近似条件 校验电流环小时间常数近似处理条件 3 1 oisT T 1 = 3 1 * 002. 0*00167.0 1 s 1 182.4 s 1 ci 满足近似条件 (5)计算调节器电阻和电容 电流调节器原理图如图所示,按运算放大器取R0=40k,各电阻和电容值计 算如下: 0 RKR ii 1.034*40k=41.36 k取 40 k C i i i R 3 10*41 0167.0 =0.41F 取 0.4F C 0 4 R Toi oi 3 10*40 002.0*
13、4 =0.2F 取 0.2F 按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 i=4.3%5% 满足设计要求 沈阳大学 课程设计说明书NO.7 图 6 含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器 2.6 转速调节器的设计 除电流调节器的设计中已给出数据外,已知:转速反馈系数=0.01Vmin/r , 要求转速无静差,空载起动到额定转速时转速超调量 n10% 。 (1)确定时间常数 电流环等效时间常数 I K 1 。由电流调节器的设计,已取 i IT K=0.5,则 I K 1 =2T i =2*0.00367s=0.00734 转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机的波纹情况,取Ton=0
14、.01s。 转速小时间常数T n。按小时间常数近似处理,取 T n = I K 1 + T on=0.00734+0.01=0.01734 (2)选择转速调节器结构 按照设计要求,选用PI 调节器,其传递函数为: W ASR(S)= s sK n nn )1( (3)计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则,取h=5,则 ASR的超前时间常数为 n n hT=5*0.01734=0.0867s 沈阳大学 课程设计说明书NO.8 转速环开环增益为 KN= 22 2 1 n Th h = 22 01734.0*5*2 6 s 2 399.1 s 2 ASR的比例系数为 Kn= n me h
15、aRT TCh 2 )1( = 01734.0*1*01.0*5*2 075.0*192.0*05.0*6 2.5 (4)检验近似条件 转速环截止频率为 1 N cn K =KN n=399.1*0.0867s 1 34.6 s 1 电流环传递函数简化条件 3 1 i I T K = 3 1 00367.0 2.136 s 164.2 s1 cn 满足简化条件 转速环小时间常数近似处理条件 3 1 on I T K = 3 1 01. 0 2.136 s 1 38.9 s 1 cn 满足近似条件 (5)计算调节器电阻和电容 转速调节器原理图如图7 所示,取 R0=40k,则 0 RKR nn
16、2.5*40k=100k取 100k Cn= n n R = 3 10*100 0867.0 F0.867F 取 1F Con= 0 4 R Ton = 3 10*40 01.0*4 1F 取 1F (6)校核转速超调量 当 h=5时, n=37.6%,不能满足设计要求。按 ASR 退保和的情况重新计算超 调量。 沈阳大学 课程设计说明书NO.9 (7)退饱和时转速超调量的计算 n=2( b C Cmax ) (z) * n nN m n T T =2*81.2%*1.5* 075.0 01734. 0 * 1000 192.0 1*136 8.98%10% 满足设计要求 图 7 含给定滤波与
17、反馈滤波的PI 型转速调节器 2.7 电流环的仿真 电流环的仿真模型如图8 所示,其中晶闸管整流装置输出电流可逆。 图 8 电流环的仿真模型 图 9 (a) 的 PI 参数是根据上述电流环设计的结果设定的,参数关系是 KT=0.5。 在此基础上,利用图 8的仿真模型,可以观察 PI 参数对跟随性能指标的影响趋势, 找到符合工程要求的更合适的参数。以KT=0.25的关系式按典型系统的设计方 法得到了 PI 调节器的传递函数为0.517+ s 958.30 , 很快地得到了电流环的阶跃响应 沈阳大学 课程设计说明书NO.10 的仿真结果如图9(b) 所示,无超调,但上升时间长;以KT=1.0 的关
18、系式得到 PI 调节器的传递函数为2.068+ s 832.123 , 同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如 图 9(c) 所示,超调大,但上升时间短。 KT=0.5 时的超调量 ia= 192 192200 =4.2% KT=0.25 时的超调量 ib= 192 192192 =0% KT=1.0 时的超调量 ic= 192 192237 =23.4% 图 9(a) 、(b) 分别给定 KT=0.5 和 KT=0.25 时的阶跃响应曲线,可以看出,给 定量不同时,对应超调量过渡过程时间不相同。给定KT=0.25 时,过渡过程时间 约为 0.2s ,超调量为 0;而当给定 KT=0.5时,过
19、渡过程时间约为0.4s ,超调量约 为 4.2%。可见随着 KT 的增大,过渡过程时间和超调量都变大。KT过大时,系统 的动态性能满足不了使用要求的需要。 图 9(a) 电流环的仿真结果 沈阳大学 课程设计说明书NO.11 图 9(b) 无超调的仿真结果 图 9(c) 超调量较大的仿真结果 2.8 转速环的仿真 转速环的仿真模型如图12所示。 图 10 转速环的仿真模型 沈阳大学 课程设计说明书NO.12 双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10。ASR调节器经过了不饱和、饱和、退 饱和三个阶段,最终稳定运行于给定转速。图11(a)的 PI 参数是根据上述转速 环设计的结果设定的,参数关系是KT=0
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