目录TOC\o1-5\h\z1、引言2.HYPERLINK\lbookmark2\oCurrentDocument二、初始条件：2.HYPERLINK\lbookmark4\oCurrentDocument三、设计的基本要求：3.HYPERLINK\lbookmark6\oCurrentDocument四、设计基本思路3.HYPERLINK\lbookmark8\oCurrentDocument五、系统原理框图3.HYPERLINK\lbookmark10\oCurrentDocument六、双闭环调速系统的动态结构图4.HYPERLINK\lbookmark12\oCurrentDocument七、参数计算5..HYPERLINK\lbookmark14\oCurrentDocument1.有关参数的计算5.2.电流环的设计6.HYPERLINK\lbookmark18\oCurrentDocument3.转速环的设计8.HYPERLINK\lbookmark20\oCurrentDocument七、双闭环直流不可逆调速系统线HYPERLINK\lbookmark22\oCurrentDocument1.系统主电路图1.0HYPERLINK\lbookmark24\oCurrentDocument触发电路1.1HYPERLINK\lbookmark26\oCurrentDocument控制电路1.5HYPERLINK\lbookmark28\oCurrentDocument转速调节器ASR设计.16HYPERLINK\lbookmark30\oCurrentDocument电流调节器ACR设计16HYPERLINK\lbookmark32\oCurrentDocument限幅电路的设计1.7HYPERLINK\lbookmark34\oCurrentDocument八、系统仿线HYPERLINK\lbookmark36\oCurrentDocument使用普通限幅器进行仿线HYPERLINK\lbookmark38\oCurrentDocument积分输出加限幅环节仿线HYPERLINK\lbookmark40\oCurrentDocument3•使用积分带限幅的PI调节器仿线HYPERLINK\lbookmark42\oCurrentDocument九、总结2..4一、设计目的联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统来进行综合性设计，加深对所学《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握
系统的方法。熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方式。培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的很多问题的能力。设计出符合标准要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌握工程设计的方法。掌握应用计算机对系统来进行仿真的方法。二、初始条件：1．技术数据（1）直流电机铭牌参数：P=90KW,U=440V,I=220A,n=1500r/min,电枢电阻Ra=0.088Q，允许过载倍数尢=1.5;NN（2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Q,Ks=45-48。（3）系统主电路总电阻：R=0.12Q（4）电磁时间常数：T1=0.012s（5）机电时间常数：Tm=0.1s（6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s,转速率波时间常数：Ton=0.014s.（7）额定转速时的给定电压：Unm=10V（8）调节器饱和输出电压：10V2．技术指标（1）该调速系统能进行平滑的速度调节,负载电机不可逆运行,具有较宽的调速范围（D》10）,系统在工作范围内能稳定工作；（2）系统静特性良好，无静差（静差率sW2）;（3）动态性能指标：转速超调量§nV8%o，电流超调量8i
，对参数做调整等五、系统原理框图在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分的利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。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具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。系统原理图如下：六、双闭环调速系统的动态结构图目前，V-M调速系统多为带电流内环的转速控制管理系统。设计时需增加电流、转速反馈滤波五节，以抑制反馈信号中的交流分量，同时在转速、电流给定信号通道中加入两个给定滤波器，其时间常数与相应反馈滤波环节的时间常数相等以平衡反馈滤波环节给定转速、电流反馈信号带来的延滞。相应的动态结构图如下所示,图中，ASR和ACR为结构和参数待定的转速和电流调节器。电斎内环I-1娥沪肚+】fl1.fG1■1L».亘-ApJTJ„L1u1.JFi-r■
为/、TS+1W(s)=K亠ACRiTsic.确定电流调节器参数ACR超前时间常数：T二T二0.012si1电流环开环放大系数K要求5
oOi3\TT3.0.0017x0.0025‘soi满足近似条件。忽略反电势对电流环影响的条件o
3」ci\：TTm13—二3xTTm1=86.6s-1vo0.1x0.012ci满足近似条件。e.计算调节器电阻和电容按所用运算放大器R二20k0，则0=KR=0.126x20=2.52k0i0由T二RC有iii0.012x106=4.76卩FR2.52x103i1由T=—RCoi40oiCoi4T4x0.002520x103亠==0.5卩FR03.转速环的设计a.转速环小时间常数T二2T+T二2x0.0042+0.014二0.0224s工n工ionb.选择转速调节器结构根据稳态、动态性能指标的要求，应按典II系统设计转速环，为此应选用PI调节器，其传递函数为W(s)二K^£±1ASRnTSnc.选择转速调节器参数为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好，应采用Mr准则选择参min数，取h=5，因此ASR的超前时间常数为t二hT二5x0.0224二0.112sn工n转速环开环放大系数为h+12h2T2En5+12x52x0.02242=239.16从而，转速调节器比例系数为t卩CT_(h+1)卩CT_(5+1)x0.0303x0.2804x0.1_K=K—ne_m=e_m==28.3nnaR2hTaR2x5x0.0224x0.0067x0.12End.检验近似条件转速环截止频率①=乂=Kt=239.16x0.112=26.79s-1cn(0Nn1电流环传递函数简化条件10
wcne.计算转速调节器电阻和电容取输入电阻R0=2Ok0，则=KR=28.3x20=566k0n0辟x106=°197卩FCon4TonR04x0.014x106=2.81F20x103f.校核转速超调量因为当h=5时max%=81.2%Cbx220=94.15r/minn0.2804AC所以5%=(maxCbAnT%)xLxNx為#=81.2%x2x卩x220一0x蓉x沖220x—15000.1=彳42%
w(wTTIm1cncn=27.9s-1)，对转速环来说，忽略反电势的条件并不成立，所以转速超调量将比上面的计算值更小，更能满足设计的基本要求。七、双闭环直流不可逆调速系统线・系统主电路图主电路采取三相桥式整流电路，如下图所示：说明：三相桥式全控整流电路有如下特点：（1）三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线）晶闸管在一个周期内导通120°,关断240°,管子换流只在本组内进行，每隔120°换流一次。（3）出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120°，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60°，即每隔60°换流一次。（4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。触发电路说明：三相桥式全控整流电路有如下特点：（1）三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线）晶闸管在一个周期内导通120°，关断240°，管子换流只在本组内进行，每隔120°换流一次。（3）出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120°，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60°，即每隔60°换流一次。（4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。说明：(1)脉冲形成及放大环节在上图中，晶闸管V4、V5形成脉冲，V7、V8起放大作用。uK为直流控制信号，当uk=O时，V4截止，V5导通，使V7、V8截止，无脉冲输出。此时，电容C3充电（+EfR9fC3fV5fV6—VD10f—E）,uc32E。当uk升高，使V4导通，V5截止，V7、V8导通，经变压器TP输出脉冲电压。此期间C3先放电后反向充电，使B点电位升高，直到uB
—E,V5又导通，V7、V8变为截止，脉冲消失。脉冲宽度由C3反向充电时间常数R11XC3决定。（2）锯齿波形成和脉冲移相环节锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等。在上图中由VI、RP2和R3、R4等组成恒流源电路。电容C2的冲放电形成锯齿波，锯齿波通过V3组成的设计跟随器输出。锯齿波电压ue3、直流控制电压uk、直流便宜电压up经电阻R6、R7、R8与V4基极b4连接，着三个电压叠加决定V4的基极电位ub4的大小，即控制V4的工作状态。Up的作用是为了确定uk=0时脉冲的初始相位。如感性伏在电流连续，三相全控桥（可逆系统）的脉冲初始相位应定在a=90°，可通过调节up与ue3叠加来实现，锯齿波过零变正点，即为脉冲产生的时刻，对应于^=90°,此时变流器输出Ud=0。Uk与ue3叠加控制脉冲相位移动（up固定在某值），当uk
90。电路工作于逆变状态。该电路要求锯齿波宽度大于180°,如选240°。（3）同步环节触发脉冲uG必须与主电路的电源同步。上图电路中，同步环节又由同步变压器TS和晶体管V2等组成。同步电压us经TS降压产生二次电压uTS来控制V2的导通与关断，从而控制C2的冲放电过程，V2截止时C2充电，V2导通是C2放电，这样就形成了锯齿波。正弦波uTS的一个周期内V2截止与导通各一次，对应锯齿波是一个周期，与主回路电源频率一样，达到同步的目的。锯齿波的宽度由C1的充电时间常数R1C1决定。（4）强触发环节晶闸管采用强触发可缩短开通时间，有利于改善串并联器件的动态均压和均流，增加触发的可靠性，强触发电路如图所示。强触发的电源，由单相桥式整流电路获得50V电压。在V8截止时，C6充电,D点电位上升到50V。当V8导通时,C6迅速放电,D点电位迅速下降,uD
的参数计算。在双闭环直流调速系统的MATLAB仿真中，电流调节器限幅相对来说最简单。只要给出合适的限幅值，采用任何一种限幅方式均不影响仿真结果，因为电机在整个起动过程中，电流调节器长期处在不饱和状态。而转速调节器在电机起动过程中，会经历不饱和、饱和及退饱和三个状态；转速调节器采用不一样限幅方式，电机在突加阶跃给定空载起动时会得到不同的转速和电流波形。由以上原理图可得出仅在PI调节器的输出端简单加一限幅环节时的起动转速波形和电流波形。图转速波形图电流波形从上图能够准确的看出，起动时转速超调量较大，振荡次数多，起动时间较长。这是因为速度调节器输出达到限幅值时，转速并未达到给定值，偏差均大于零，积分部分的输出一直在增加，这就可能使积分部分的输出达到很大的值。当转速达到期望值后，积分调节器的输出不能立即变小，而是需要经过一段时间使积分调节器的输出恢复到开始限幅瞬间的数值。在这段时间内调节器暂时调节功能。此仿真并不能够达到题设要求，为此必须对ASR和ACR进行改正。2.积分输出加限幅环节仿真下图给出在积分输出和调节器输出后均加一限幅环节的Simulink仿真模型在这一模型中，积分输出后，再加限幅环节，即积分环节和限幅环节分开。CD图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10从以上的原理图可得出转速和电流波形如下:从以上图能够准确的看出，采用这种限幅方式时，电机受到扰动后，转速回不到原来的转速。这是由于电机起动时积分调节器的输出很快达到限幅值，由于输出的超调很小，所以在整个起动过程中，积分调节器也没能退出饱和，使得PI的输出从始至终保持在限幅值上。而当增加负载，速度降低，偏差增加，PI调节器仍维持在限幅值上，转速调节器不起作用。所以受到扰动后，电机的转速回落不到原来的值。如果增加限幅值，又会使仿真结果如之前一样。为此须对积分环节再加以改变。使用积分带限幅的PI调节器仿真下图给出了积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型。图中不仅把PI调节器的比例部分和积分部分分开，对PI调节器的输出设置上、下限幅，还要对积分设置上、下限幅。而且这种积分是积分环节本身所带的。在Simulink环境下,这种积分限幅的实现需要双击积分模块，在对话框中选中Limitoutput项，然后设置上、下限幅。fj;CD5DCdAxiCiliZi-iH4辽-Turn!*rDTd■tf5153qaaz=F
inSupaiJAT04W200115上图中ASR限幅值为上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10由上图可知，转速超调量较少符合标准要求，但发现电流上升过快，且相应的调节时间比较久，而通过多次试验发现调节ASR的限幅值能改变调节时间，但这样将会使到最后电流过大。如下图：Q弘粧■a豺静巨PAF曲凰関目~5飞上图中ASR限幅值为：上限40下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10加入负载后，转速，电流波形如下:上图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10使用积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型的工作过程分三种情况：当积分器未饱和和且比例加积分的和小于限幅值时，调节器表现为线性的PI调节器；当积分输出未饱和而比例加积分的和大于限幅值时，调节器的输出等于限幅值，积分器继续积分；当积分的输出达到本身的限幅值时，其输出便停止增长，调节器的输出等于其限幅值。此时，如果输入信号改变极性，比例积分调节器是从积分本身的限幅值开始退去饱和的。综上，使用积分带限幅的PI调节器能轻松的获得最好的转速，电流波形。九、总结一开始接触这个课程设计时，觉得并不会很困难，无论是参数计算还是动态仿真都能在教材中找到相关的资料，再加上以前师兄、师姐的报告，觉得完成课设并不会需要太多时间。但在真正的设计过程中发现，参数的计算并不会太过复杂，只需要花一段时间，以认真细致的态度对待就可以。而动态仿真过程中却出现了一系列问题。由于教材中是介绍使用原理图进行仿真，于是我也利用Matlab的Simulink功能将相关模块一样的画下来，参数也一样地设置，却没有办法进行仿真，这样的一个问题一直没有办法解决，直到后面发现可通过动态函数进行仿真。于是我放弃原本想法，改用动态函数进行仿真。相对于原理图仿真，动态函数最简单些，只需要在Matlab中画下相关传递函数模块，并进行连线即可。仿真也可以在一定程度上完成,只是发现转速超调量达到60%。面对这样的一个问题，初步觉得是ASR限幅值设置不对，于是进行实验却没有正真获得很好结果。之后再对参数重新计算，甚至将教材例题中的数据代入进行仿真，但问题依然没有办法解决。直到在华工图书馆电子网页上找到一篇关于双闭环调整系统饱和限幅值设置的论文后问题才得以解决。即使用本设计最后提到的使用积分带限幅的PI调节器。在调速系统中，双闭环直流调速系统具有较广泛的应用。作为自动控制专业的专业课，学好电机学及电机调速系统等相关知识，并熟练掌握其控制规律及设计方法，将使我们受益匪浅。而本次课设在这方面起到极大作用。通过本次课设，学会使用Matlab进行动态函数的分析使用，使用WORD中的Mathtype进行公式编辑，学会对双闭环调整系统限幅值采用三种不同方法得到不同结果，最重要的是学会遇上问题时寻找方法解决，从而得到最好的结果。而本次课设的最终结果虽然大部分都符合题目要求，但会发现，当电流需要为200A左右时，调节时间会变得很长，而此问题可通过改变ASR限幅值，其值越大，最终电流将会变得越大，且调节时间会变短。对这个问题，暂未发现很好解决方案能达到最佳效果。希望今后能解决此问题。参考文献1、《电力拖动与运动控制管理系统》（第二版），罗飞等编著，化学工业出版社2、《电力电子技术基础》，苏开才等编著，华南理工大学出版社3、《电机学与拖动基础》（第二版），麦崇裔编著，华南理工大学出版社4、《双闭环直流调整系统的饱和限幅问题》赵志诚等，电气电子教学学报
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