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双闭环控制系统

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2020年4月19日
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课 程 设 计 报 告

课 程 课程设计
课 题 双闭环控制系统设计
班 级
姓 名
学 号

目录
第1章 双闭环系统分析 1
1.1系统介绍 1
1.2系统原理 1
1.3双闭环的优点 1
第2章 系统参数设计 2
2.1电流调节器的设计 2
2.1.1时间参数选择 2
2.1.2计算电流调节参数 2
2.1.3校验近似条件 3
2.2转速调节器的设计 3
2.2.1电流环等效时间常数： 3
2.2.2转速环截止频率为 5
2.2.3计算控制器的电阻电容值 5
第3章 仿真模块 6
3.1电流环模块 6
3.2转速环模块 6
第4章 仿真结果 7
4.1电流环仿真结果 7
4.2转速环仿真结果 7
4.4稳定性指标的分析 8
4.4.1电流环的稳定性 8
4.4.2转速环的稳定性 8
结论 9
参考文献 10

第1章 双闭环系统分析
1.1系统介绍
整流电路可从很多角度进行分类，主要分类方法是：按组成的器件可分为不可控,半控和全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相 数分可分为单相、双相、三相和多相电路；按控制方法又可分为相控整流和斩波 控制整流电路。 
本系统采用的是三相全控桥式晶闸管相控整流电路。这是因为电机容量相对 较大，而且要求直流脉动小、容易滤波。其交流侧由三相电网直接供电，直流侧 输出脉动很小的直流电。在分析时把直流电机当成阻感性加反电势负载。因为电 机电流连续因此分析方法与阻感性负载相同，各参量计算公式亦相同。
1.2系统原理
ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的能够调速）。 
ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。
1.3双闭环的优点
双闭环调速系统属于多环控制系统，每一环都有调节器，构成一个完整的闭环系统。工程设计方法遵循先内环后外环的原则。步骤为：先设计电流环（内环），对其进行必要的变换和近似处理，然后依照电流环的控制要求确定把它校正成哪一种典型系统，再根据控制对象确定其调节器的类型，最后根据动态性能指标的要求来确定其调节器的有关参数。电流环设计完成以后，把电流环看成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。 
在电流检测信号中常有交流分量，为了不让它影响调节器的输入，加入了低通滤波器，然而滤波环节能够使反馈信号延迟，为了消除此延迟在给定位置加一个相同时间常数的惯性环节。同理，由测速发电机得到的转速反馈电压常含有换向纹波，因此也在给定和反馈环节加入滤波环节。

第2章 系统参数设计
2.1电流调节器的设计
额定电流
IN=PNUN =3000160=18.75A (2-1)
额定电阻
RN=U2P=16023000=8.53Ω (2-2)
设置晶闸管放大系数Ks=40
2.1.1时间参数选择
整流装置滞后时间常数Ts，利用三相桥式电路的平均控制时间
Ts=0.0017s (2-3)
电流滤波时间常数
Toi=0.002s (2-4)
电流环小时间常数和
Ti=Ts+Toi=0.0037s (2-5)
2.1.2计算电流调节参数
表2-1 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数关系

电流调节器超前时间常数
Tl=LR=20×10-30.785=0.03s (2-6)
电流开环增益：
KI=0.5Ti=0.50.0037≈135.1s-1 (2-7)
Ce=Ur-IdRan=160-24×0.7851590≈0.088V∙min/r (2-8)
β=101.5IN=101.5×18.75=0.533V/A (2-9)
机电时间常数
Tm=GD2R375CeCm=0.072×0.785×1000375×0.0882×30π=2s （2-10）
电流调节器超前时间常数
τi=Tl=0.03s (2-11)
电流调节器比例参数
Ki=KIτiRKsβ=135.1×0.03×0.78540×0.533≈0.149 (2-12)
2.1.3校验近似条件
电流环截止频率
ωci=KI=135.1S-1 (2-13)
① 电力电子变换器纯滞后的近似处理
ωci<13Ts=13×0.0017s-1≈196.1s-1 (2-14)
② 不考虑反电动势的变化对电流环的动态影响
·ωci≥31TmTl=312×0.03s-1≈12.26s-1 (2-15)
③ 电流环小惯性群的近似处理
ωci<131TsToi=1310.0.17×0.02s-1≈180.8s-1 (2-16)
电流调节器的参数计算得，电流调节器的参数为Ki和τi，而已经选定，需要求的只Ki，可依照所要求的动态性能指标来选取。一般情况下，希望电流超调量为σ%5=
2.2转速调节器的设计 
2.2.1电流环等效时间常数：
放大倍数:
α=10nN=101590=0.006V∙min/r (2-17)
1KI=2Ti=2×0.0037=0.0074s (2-18)
表2-2 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

52.6%
43.6%
37.6%
33.2%
29.8%
27.2%
25.0%
23.3%

2.40
2.65
2.85
3.0
3.1
3.2
3.3
3.35

12.15
11.65
9.55
10.45
11.30
12.25
13.25
14.20
K
3
2
2
1
1
1
1
1

转速滤波时间常数和转速环小时间常数
Ton=0.01s
查表2-2得h=5
惯性环节时间常数
Tn=1KI+Ton=0.0074+0.001=0.0174s (2-19)
τn=h∙Tn=5×0.00174=0.087s (2-20)
转速开环增益
KN=h+12h2Tn2=5+12×52×0.00742=2191s-2 (2-21)
ASR比例系数
Kn=h+1βCeTm2hαRTn=6×0.533×0.0888×22×5×0.785×0.006×0.0174=663.2 (2-22)
例（2-22）按上述参数设计超调量σ=2%<5%满足设计要求

2.2.2转速环截止频率为
ωcn=Knω1=Knτn=396.4×0.087≈34.5s-1 （2-23）
电流环传递函数简化条件
13KITi=13135.10.0037≈63.7s-1>ωcn （2-24）
转速环小时间常数近似处理
13KITon=13135.10.01≈38.7s-1>ωcn （2-25）
2.2.3计算控制器的电阻电容值
取R0=4kΩ
Rn=KnR0=686.8×4=2747.2Ω （2-26）
Cn=τnRn=0.0872740×1000=0,03uF （2-27）
Con=4TonR0=4×0.014×1000=0.1uF （2-28）
当h=5的时候有σ%=37.5，不能满足设计要求，采用退饱和超调
设理想空载起动时Z=0，允许过载倍数为1.5，则
σn=2∆CmaxCbλ-zΔnNn*TnTm=2×81.2%×1.5×18.75×0.7850.08881590×0.01742=2%<10%
能满足设计要求

第3章 仿真模块
3.1电流环模块
图3-1

3.2转速环模块

图3-2

第4章 仿真结果
4.1电流环仿真结果

图4-1
4.2转速环仿真结果

图4-2

4.4稳定性指标的分析  
4.4.1电流环的稳定性 
由附图4.1中仿真图能够看到，当其幅频特性曲线过0时，既其转折点所对应相频率特性曲线的点在-180之上，而且仍有一定余量，充分说明该环节稳定。 
4.4.2转速环的稳定性 
由附图4.2中仿真图能够看到，当其幅频特性曲线过0时，既其转折点所对应相频率特性曲线的点在-180之上，而且仍有一定余量，充分说明该环节稳定。

结论
双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动过程中，转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动
实验仿真调试过程，出现两条仿真曲线成上下震荡的表现形式，检查发现发现比例参数设置的较大，最后选取了较小的参数，得到了满意的结果。
实验中还遇到一个问题，就是即使运用了比例积分调节，可是抗干扰性还是不好，不知道能否利用PID调节得出更加满意的结果?

参考文献
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[2]潘继安.双闭环调速系统及程序编制.四川轻化工学院学报.
[3]陈渝光.电气自动控制原理与系统 机械工业出版社 9月1日
[4]赵明.直流调速系统.机械工业出版社.
[5]姬宣德.韩英.李广宏.基于matlab的直流双闭环调速系统设计与仿真.矿工机械.
[6]马国伟.叶平.无刷直流电动机的双闭环调速系统设计.机电产品开发与创新
[7]王果.朱大鹏.直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真.电机技术
[8]张传伟.郭卫.直流电机双闭环调速系统仿真研究.机床与液压.
[9]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统.北京.机械工业出版社.
[10]电力拖动自动控制系统—运动控制系统第四版 机械工业出版社