双闭环调速系统asr和acr 结构及参数设计.docx

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与ACR
结构及参数设计
姓名:xxx
学号:2012xxxx
指导教师:xxxx
成绩:xxxx
双闭环调速系统ASR与ACR结构及参数设计
一.设计目得:
掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统得转速调节器与电流调节器,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得双闭环直流调速系统中,已知电动机数据如下:60kW,220V,308A,1000r/min,Ce= 0、196V·min/r, 主回路总电阻R=0、18Ω, Ks = 35,TL=0、012s,Tm=0、12s,电流反馈滤波时间常数Toi=0、0025s, 转速反馈滤波时间常数Ton=0、015s, 额定转速时得给定电压为10V, ASR最大输出限幅值为8V, ACR最大输出限幅值为6、5V,R0=40kΩ。
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得转速超调量sn ≤ 10%,起动电流限制在339A以内。
三.时间安排:
6、22—6、23 查阅相关资料;
6、24—6、25 按要求设计相关内容,完成设计文本
6、26 考核答辩
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 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、《电机及拖动基础》(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 电流调节器得设计 5
2、1 电流环结构图得简化 5
2、2 电流调节器结构得选择 7
2、3 电流调节器得参数计算 8
2、4 校验近似条件 9
2、5 电流调节器得实现 9
第三章 转速调节器得设计 10
3、1 电流环得等效闭环传递函数 10
3、2 转速调节器结构得选择 11
3、3 转速调节器得参数计算 13
3、4 检验近似条件 13
3、5 转速调节器得实现 14
第四章 转速调节器退饱与时转速超调量得计算 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就是性能很好、应用最广得直流调速系统。对于采用转速负反馈与PI调节器得单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定得前提下实现转速无静差。但就是,如果对系统得动态性能要求较高,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与转矩得动态过程。在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈环节就是专门用来控制电流得,但它只能在超过临界电流以后,靠强烈得负反馈作用限制电流得冲击,并不能很理想地控制电流得动态波形。带电流截止负反馈得单闭环直流调速系统起动过程中,起动电流达到最大值后,受电流负反馈得作用降低下来,电机得电磁转矩也随之减小,加速过程延长。
一、转速、电流双闭环直流调速系统得组成
为了实现在允许条件下得最快起动,关键就是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量得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得恒流过程。
为了实现转速与电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速与电流,即分别引入转速负反馈与电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接如下图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,把转速调节器得输出当作电流调节器得输入,再用电流调节器得输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上瞧,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得电路原理图
为了获得良好得静、动态性能,转速与电流两个调节器一般都采用P I调节器,这样构成得双闭环直流调速系统得电路原理图示于下图1-2。图中标出了两个调节器输入输出电压得实际极性,它们就是按照电力电子变换器得控制电压为正电压得情况标出得,并考虑到运算放大器得倒相作用。

图1-2 双闭环直流调速系统电路原理图
图中表出,两个调节器得输出都就是带限幅作用得。转速调节器ASR得输出限幅电压决定了电流给定电压得最大值;电流调节器ACR得输出限幅电压限制了电力电子变换器得最大输出电压。
三、双闭环直流调速系统得稳态结构图
为了分析双闭环调速系统得静特性,必须先绘出它得稳态结构图,如下图1-3。它可以很方便地根据上图得原理图画出来,只要注意用带限幅得输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性得关键就是掌握这样得PI调节器得稳态特征。

图1-3双闭环直流调速系统得稳态结构图
a—转速反馈系数;b—电流反馈系数
PI调节器得稳态特征一般存在两种状况,即饱与时输出达到限幅值与不饱与时输出未达到限幅值。当调节器饱与时,输出为恒值,输入量得变化不再影响输出,除非有反向得输入信号使调节器退出饱与;换句话说,饱与得调节器暂时隔断了输入与输出间得联系,相当于使该调节环开环。当调节器不饱与时, PI 作用使输入偏差电压在稳态时总就是零。
四、双闭环直流调速系统得动态结构图
在单闭环直流调速系统动态数学模型得基础上,考虑双闭环控制得结构,即可绘出双闭环直流调速系统得动态结构图,如下图1-4所示。图中WASR(s)与WACR(s)分别表示转速调节器与电流调节器得传递函数。为了引出电流反馈,在电动机得动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。之后将要进行得典型系统得设计及动态性能指标得计算都就是在此图基础上进行得。
图1-4双闭环直流调速系统得动态结构图
五、两个调节器得作用
经过分析,转速与电流调节器都具有非常重要得作用,归纳如下。
1. 转速调节器得作用:
1） 转速调节器就是调速系统得主导调节器,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允许得最大电流。
2、 电流调节器得作用:
1） 作为内环得调节器,在外环转速得调节过程中,它得作用就是使电流紧紧跟随其给定电压(即外环调节器得输出量)变化。
2） 对电网电压得波动起及时抗扰得作用。
3） 在转速动态过程中,保证获得电机允许得最大电流,从而加快动态过程。
4） 当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流得最大值,起快速得自动保护作用。一旦故障消失,系统立即自动恢复正常。这个作用对系统得可靠运行来说就是十分重要得。
六、调节器得工程设计方法
1.工程设计方法得基本思路
1)选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定与稳态精度。
2)设计调节器得参数,以满足动态性能指标得要求。
2、 典型系统
1)典型I型系统传递函数:
式中 T — 系统得惯性时间常数;
K — 系统得开环增益。
2)典型Ⅱ型系统传递函数:
3.选择典型系统得依据
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Ⅱ型系统得超调量相对较大,抗扰性能较好。
七、按工程设计方法设计双闭环系统得调节器
1、 系统设计对象

图1-5 双闭环调速系统得动态结构图
双闭环调速系统得实际动态结构图绘于图1-5,它与前述得图1-4不同之处在于增加了滤波环节,包括电流滤波、转速滤波与两个给定信号得滤波环节。其中
— 电流反馈滤波时间常数
— 转速反馈滤波时间常数
2. 系统设计原则
从内环开始,逐步向外扩展。在这里,首先设计电流调节器,然后把整个电流环瞧作就是转速调节系统中得一个环节,再设计转速调节器,最后进行转速超调量得校验。
第二章 电流调节器得设计
2、1 电流环结构图得简化
在按动态性能设计电流环时,可以暂不考虑反电动势变化得动态影响,即
E≈0。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得影响,也就就是说,可以暂且把反电动势得作用去掉,得到电流环得近似结构框图,如下图2-1所示。
忽略反电动势对电流环作用得近似条件就是:
(2-1)

图2-1 电流环得动态结构图及其化简
如果把给定滤波与反馈滤波两个环节都等效地移到环内,同时把给定信号改成U*i(s) /b,则电流环便等效成单位负反馈系统(图2-2)。
图2-2 单位负反馈系统
最后,由于Ts 与 T0i 一般都比Tl 小得多,可以当作小惯性群而近似地瞧作就是一个惯性环节,其时间常数为
TΣi= Ts+ Toi (2-2)
简化得近似条件为 (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 电流调节器结构得选择
根据设计要求:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量si≤5%,有以下两种方案可供选择:
方案一:典型Ⅱ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。
从稳态要求上瞧,希望电流无静差,以得到理想得堵转特性,采用 I 型系统就够了。从动态要求上瞧,实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大得超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动得及时抗扰作用只就是次要得因素,为此,电流环应以跟随性能为主,应选用典型I型系统。
电流环得控制对象就是双惯性型得,要校正成典型 I 型系统,显然应采用PI型得电流调节器,其传递函数可以写成
(2-4)
式中 Ki — 电流调节器得比例系数;
tI — 电流调节器得超前时间常数。
由表2-1知,三相零式电路得平均失控时间TS=0、0033s。
表2-1 各种整流电路得失控时间(f =50Hz)
又已知电流反馈滤波时间常数Toi=0、0025s,按小时间常数近似处理,
TSi=TS+Toi =0、0033+0、0025s=0、0058s
已知TL=0、012s,易知m= TSi /TL=0、0058/0、012=0、48,参照表2-2得典型I型系统动态抗扰性能,知其动态性能不就是十分理想,但这不就是主要因素,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得关系(KT=0、5)

2、3 电流调节器得参数计算
为了使校正后得典型系统为典型I型系统,应有以下等式成立:
(2-5)
则必须满足:
(2-5)

(2-7)
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

电流反馈系数:

于就是,ACR得比例系数:

2、4 校验近似条件
电流环截止频率:
1. 晶闸管整流装置传递函数得近似条件
>
满足近似条件。
2. 忽略反电动势变化对电流环动态影响得条件
<
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 电流调节器得实现
含给定滤波与反馈滤波得PI型电流调节器得电路原理图如下图2-4所示。

图2-4 含给定滤波与反馈滤波得PI型电流调节器
图中U*i为电流给定电压,-bId 为电流负反馈电压,Uc电力电子变换器得控制电压。根据运算放大器得工作原理可以推导出以下公式:
(2-8)

(2-9)
(2-10)
由图2-4,按所用运算放大器R0=40kΩ,各电阻与电容值为:
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与频域指标与参数得关系
参数关系KT
0、25
0、39
0、5
0、69
1、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wc
1、0
0 %
¥
¥
76、3°
0、243/T
0、8
1、5%
6、6T
8、3T
69、9°
0、367/T
0、707
4、3 %
4、7T
6、2T
65、5°
0、455/T
0、6
9、5 %
3、3T
4、7T
59、2 °
0、596/T
0、5
16、3 %
2、4T
3、2T
51、8 °
0、786/T
第三章 转速调节器得设计
3、1 电流环得等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中得一个环节,为此,须求出它得闭环传递函数。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得截止频率。
接入转速环内,电流环等效环节得输入量应为,因此电流环在转速环中应等效为
(3-4)
这样,原来就是双惯性环节得电流环控制对象,经闭环控制后,可以近似地等效成只有较小时间常数1/KI得一阶惯性环节。
3、2 转速调节器结构得选择
用电流环得等效环节代替图1-5 中得电流环后,整个转速控制系统得动态结构图便如图3-1所示。
图3-1 转速环得动态结构图
与电流环中一样,把转速给定滤波与反馈滤波环节移到环内,同时将给定信号改成 /a,再把时间常数为1/KI 与Ton得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 Ⅱ 型系统,这样得系统同时也能满足动态抗扰性能好得要求。
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 — 转速调节器得比例系数;
tn — 转速调节器得超前时间常数。
这样,调速系统得开环传递函数为

(3-7)
令转速环开环增益为
(3-8)
则 (3-9)
校正后得系统结构图如下图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,则
0、0058s=0、0116s
2) 转速滤波时间常数Ton:由已知可得Ton=0、015s。
3)转速环小时间常数:0、0116s+0、015s=0、0266s。
3、3 转速调节器得参数计算
转速调节器得参数包括Kn与tn。按照典型Ⅱ型系统得参数关系,取h=5,有
ASR得超前时间常数:
=50、0266s=0、133s
转速开环增益:

于就是可得ASR得比例系数:

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） 转速环小时间常数近似处理条件:
>
满足近似条件。
3、5 转速调节器得实现
含给定滤波与反馈滤波得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为转速负反馈电压,得输出就是电流调节器得给定电压。根据运算放大器得特点得出各参数公式如下。
(3-11)
(3-12)
(3-13)

图3-3 含给定滤波与反馈滤波得PI型转速调节器
取R0=40k,由公式(3-11)、(3-12)与(3-13)得:
,取285k;
,取0、47;
,取1、5
第四章 转速调节器退饱与时转速超调量得计算
当h=5时,由表4-1查得,sn=37、6%,不满足sn ≤ 10%得条件。实际上,由于表3-1就是按线性系统算得,而突加阶跃给定时,ASR饱与,不符合线性系统得前提,应该按ASR退饱与得情况重新计算超调量。
如果调节器没有饱与限幅得约束,调速系统可以在很大得范围内线性工作,则双闭环系统启动时得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与状态,输出恒定得限幅电压,使电动机在恒流得条件下起动,而转速则按线性规律增长。
表4-1 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标
h
3
4
5
6
7
8
9
10
s
tr / T
ts / T
k
52、6%
2、4
12、15
3
43、6%
2、65
11、65
2
37、6%
2、85
9、55
2
33、2%
3、0
10、45
1
29、8%
3、1
11、30
1
27、2%
3、2
12、25
1
25、0%
3、3
13、25
1
23、3%
3、35
14、20
1
计算退饱与超调量时,起动过程可按分段线性化得方法处理。当ASR饱与时,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得跟随过程,其输出量也基本上就是恒值Idm,因而电动机基本上按照恒加速起动。这一阶段完成时有

ASR退饱与后,转速环恢复到线性范围内运行,系统得结构框图如图4-1所示。描述系统得微分方程与前面分析线性系统跟随性能时相同,只就是初始条件不同了。分析线性系统跟随性能时,初始条件为n(0)=0,Id(0)=0。讨论退饱与超调时,其初始条件就是
n(0)=,
由于初始条件发生了变化,尽管两种情况得动态结构图与微分方程完全一样,过渡过程还就是不同得。

图4-1 ASR退饱与后系统结构框图
当ASR选用PI调节器时,上图电流作用点前面得环节可以归纳为,由于对我们得目得有用得就是在稳态转速以上超调得部分,即只考虑实际转速与给定转速得差值,相应得可以把图4-1得坐标原点转移,初始条件换为n(0)=0, 。由于图4-2得给定为零,可以不画,而把得负反馈作用反映到主通道得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得结构图
将图4-2与讨论典型Ⅱ型系统抗扰性能所用得结构图相比,不难发现它们完全一样,因此可以利用典型Ⅱ型系统抗扰性能指标来计算退饱与超调量。在典型Ⅱ型系统抗扰性能指标中
(4-1)
对比图4-2知
,
而 (4-2)
所以得基准值就是
(4-3)
令表示电机允许得过载倍数,即
(4-4)
z表示负载系数,则
(4-5)
为调速系统得额定稳态速降,=,代入式(4-3)可得
(4-6)
作为转速得超调量,其基准值应该就是,因此退饱与超调量可以由表4-2列出得数据经基准值换算后求得,即
=2() (4-7)
根据已知条件,由式(4-4)解得
=1、1
由公式知:

再由式(4-5)解得

由表4-2查得h=5时=81、2%
所以,由式(4-7)解得:
<10%
所以,能够满足设计要求。
表4-2 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数得关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10
Cmax/Cb
tm / T
tv/T
72、2%
2、45
13、60
77、5% 2、70
10、45
81、2%
2、85
8、80
84、0%
3、00
12、95
86、3%
3、15
16、85
88、1%
3、25
19、80
89、6%
3、30
22、80
90、8%
3、40
25、85
结论
本次电力拖动自动控制课程得课设题目为双闭环调速系统ASR与ACR结构及参数设计。通过对双闭环调速系统得整体设计,不仅巩固了课程学习得内容,而且加深了我们对电力拖动这门课程得认识,亲身体会到了它在实际应用中得作用,更加就是我们系统得理解了调速系统设计内容、步骤及一些注意事项。
电力拖动在生活及生产中应用广泛,无论就是离我们最近得代步汽车还就是大型工厂里得生产机械都离不开电力拖动得相关知识,作为电力拖动得重要内容,调速系统更加显得重要,而应用最为广泛得双闭环直流调速系统更就是其核心内容,它有着相比于单闭环调速系统得绝对得优势。通过对双闭环直流调速系统得实际设计,使我们加深了对其得认知,包括电路原理图得环节组成及电气元器件得种类与连接等等。认知过程中也遇到了一些困难,比如各部分电路如何连接,各部分元件得作用及参数推倒过程等等,但就是我们没有就此停滞不前,积极得查阅书籍资料与网络资料,并展开小组讨论,最终基本上解决了所有得问题。
参考文献
1、 陈伯时、 电力拖动自动控制系统(第3版)、 机械工业出版社、
2、 王兆安 黄俊、电力电子技术(第4版)、机械工业出版社、
3、 刘丁、自动控制理论、机械工业出版社、
4、 顾绳谷、电机及拖动基础(第3版)、机械工业出版社、
5、 胡寿松、自动控制原理简明教程(第二版)、科学出版社、