双闭环V-M调速系统中主电路-电流调节器及转速调节器的设计.doc

中北大学
电力拖动自动控制系统
课程设计说明书

学生姓名： 学 号：
学 院： 信息与通信工程学院
专 业： 自动化
题 目： 双闭环V-M调速系统中主电路，
电流调节器及转速调节器的设计

指导教师：

2011年8月25日

中北大学
电力拖动自动控制系统
课程设计任务书
11/12 学年第 一 学期

学 院： 信息与通信工程学院
专 业： 自动化
学 生 姓 名： 学 号：
课程设计题目： 双闭环V-M调速系统中主电路，
电流调节器及转速调节器的设计
起 迄 日 期： 8月22 日～8月 26日
课程设计地点： 中北大学
指 导 教 师：

下达任务书日期: 2011年08月 22日
课 程 设 计 任 务 书
一、 设计题目：
双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。

二、 已知条件及控制对象的基本参数：
（1）已知电动机参数为：=3kW，=220V，=17.5A，=1500r/min，电枢绕组电阻=1.25，=3.53。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻=1.3。平波电抗器电阻=0.3。整流回路总电感L=200mH。
（2）这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出=－8V，ACR限幅输出=8V，最大给定=10V，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电流 =2.1，临界截止电流 =2。
（3）设计指标：电流超调量δ%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量δ10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间 t0.5。
三、 设计要求
（1）用工程设计方法和[西门子调节器最佳整定法]* 进行设计，决定ASR和ACR结构并选择参数。
（2）对上述两种设计方法进行分析比较。
（3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图
（4）利用matlab/simulink进行结果仿真。
* 为可选作内容
四、 设计方法及步骤：
Ⅰ 用工程设计方法设计
（1）系统设计的一般原则：
（2）电流环设计
1） 确定时间常数
2） 选择电流调节器结构
3） 选择电流调节器参数
根据上述参数可以达到的动态指标为
4） 校验近似条件
（3）转速环设计
1） 确定时间常数
2） 选择转速调节器结构
3） 选择转速调节器参数
4） 校验近似条件
5）易犯错误

Ⅱ　用西门子调节器最佳整定法设计*
（1）电流环的动态校正
（2）转速环的动态校正
Ⅲ两种设计方法的分析比较

五、 设计心得：
六、 参考资料 ：

一．系统设计的一般原则：
按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器 。

（2）电流环设计
电流环动态结构图及简化：

1）确定时间常数
根据已知数据得
´===
三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间0.0017sT=，取电流反馈滤波时间常数，可得电流环的小时间常数为0.002oiT，可得电流环的小时间常数为

2）选择电流调节器结构
S

但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为

3）选择电流调节器参数

积分时间常数：

为满足δ%5%，取电流环开环增益KI 为：

电流调节器比例系数KI 为：

取调节器的输入电阻R0=20K，则电流调节器的各参数为：

根据上述参数可以达到的动态指标为：

故能满足设计要求。

4）校验近似条件

电流环截至频率：

晶闸管装置传递函数近似条件为：

又有：

故该近似条件满足。
小时间常数近似处理条件为：

则

故该近似条件满足。

（3）转速环设计
转速环动态结构图及简化：

确定时间常数

电流环的等级时间常数为 0.0074s。取转速反馈滤波时间常数 0.01s，转速环的时间常数为：

2）选择转速调节器结构

设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似PI调节器，按典型II型系统进行设计。可证明，当近似PI调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为

3）选择转速调节器参数
按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量δ%和过渡过程时间ts。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。
当h=5时，ASR退饱和超调量为：

式中λ为电动机允许过载系数，按题意λl=2.1；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0;
，
当h=5时，故起动到额定转速，即n*= 时，退饱和超调量为δ=9.2%小于10%，满足设计要求。
空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间ts延长，ts 可表示为 ts=t0+t2, 其中t2为恒流升速时间，t0是退饱和超调过渡过程时间.

转速环开环增益为

ASR比例系数为

如去调节器输入电阻Ro=20kW，则

4）校验近似条件

转速环截止频率为

故满足该简化条件。
小时间常数近似处理条件为：

故满足该简化条件。

5） 易犯错误
此系统是有差系统，ASR似乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。这时，转速环的开环放大系数为

根据设计指标，转速超调量要求δn%小于10%，据此可选择参数为

于是

上述设计过程的错误是：ASR采用比例调节器，当其放大系数为9.7时，虽可满足动态
指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时KASR=76.3，即ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR采用PI调节器（或近似PI调节器）后，才能较好地解决这个矛盾。为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用PI调节器，并按典型II型系统进行设计。
另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间st时，若查教材表2-6，当h=5时，得
是不对的，此错误在于：教材表2-6所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后，由于ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。
Ⅱ 用西门子调节器最佳整定法设计
（1）电流环的动态校正
双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图2-27所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI调节器，即
如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统

所得调节器参数为

因Ro=20k，

取1F，于是

取68。这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量

（2）转速环的动态校正
将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如图所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用PI调节器，即

如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统

所得调节器参数为

R0=20k，

取Cn=0.47uF，给定滤波器的时间常数为0.0696S
当转速调节器采用上述参数，并在输入端加给定滤波器后，系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量δ=8.1%，过渡过程时间ts=16.4×0.0174s=0.265s。
Ⅲ两种设计方法的分析比较
（1）西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型I型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I型系统中选12KT= 的情况。
（2）西门子设计方法中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型II型系统中选中频宽h=4的情况。
（3）西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR饱和，因此给出的δ 过大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小δ，因此只要ASR饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。此外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这就给现场调试带来一定困难。

二、设计心得：
这次电力拖动自动控制系统历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
1.学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。
2.多和同学讨论。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后程序和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。
3.多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。
三、 参考资料：
[1]黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社。