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1、控制系统设计与仿真课程设计报告带转速微分负反馈的双闭环控制系统班 级：自动化四班实验学生： 实验日期： 2005年12月30日一 设计课题设计一个双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。基本数据如下：1. 直流电动机：额定功率8KW， 额定电压 220V， 额定电流2A，额定转速1600r/min ， =0.118Vmin/r, 允许过载倍数=1.5；2. 晶闸管装置放大系数：=30;3. 电枢回路总电阻：R=3 ;4. 时间常数：机电时间常数 =0.1 s, 电磁时间常数： L=1.46=482Mh = =0.16S;5. 电流反馈系数：=1.5V/A (10V
2、/10V/1.5);6. 转速反馈系数：=0.0055Vmin/r(10V/ 10V/1.5)；7. 反馈滤波时间常数: =0.02s, =0.002s; .二 设计要求稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量5%；空载起动到额定转速时的转速超调量10%；空载起动到额定转速时的过渡过程时间0.5%。三 设计方案1.参数计算：（一） 电流环的设计1.确定时间常数（1）流装置的滞后时间常数Ts 查表1-2，三相半波整流电路的平均失控时间 =0.00333s（2）电流滤波时间常数=0.002s( 3 ) 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取 2.选择电流调节器的结构 根据要求5% 虽然，但由于对
3、电流超调量有严格要求，而抗扰性无具体要求，所以电流环仍按典型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：ACR超前时间常数：=0.16s电流环开环增益：要求时，应取：，ACR的比例系数为： =2 电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图示于图2，图中为电流调节器的给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压。 图 1 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器4. 检验近似条件：电流环截止频率WCi =KI =93.8 (l/s)(1) 晶闸管装置传递函数近似条件：现在，Ts=100 (1/s) ,满足近似条件。(2)
4、忽略反电动势对电流环的影响的条件:(3) 3现在，3=3=23.718 , 满足近似条件。2. 计算调节电阻和电容。根据调节器原理图，取= 40K,则 = = =4F = = =0.2F根据上述参数，电流环可以达到的动态指标由表2-2得， =4.3%5%， 满足设计要求。(二) 转速环的设计 1. 确定时间常数(1) 电流环等效时间常数为2 =0.01066s(2) 转速滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取 =0.02s(3) 转速环最小时间常数 = 2 =0.03066s2. 选择转速环调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须有积分环节；又跟据动态要求，应按典型形系统设计转速环。故
5、 ASR选用PI调节器，其传递函数为 =3. 选择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= h =50.03066=0.1533s =127.655= =20.994. 校验近似条件转速环截止频率为 = = =127.6550.1533=19.57s-1电流环截止频率简化条件： 现在 =37.52 1/s 满足简化条件。小时间常数近似处理条件：现在 = =22.829满足近似条件。5. 计算调节电阻和电容由转速调节器的原理图可知，取=40K,则 = =839.6K (取=840K) = =0.4272F (取=0.4F) =2F (取=2F) 6. 校
6、核转数超调量由课本上公式可知当h=5时，而 =50.85r/min =46.77 r/min 能满足设计要求。转速、电流双闭环直流调速系统的组成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晶闸管整流器的触发装置。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。从而形成了转速、电流双闭环调速系统。TAIId-ACRASRVTG 图2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 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 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的
7、控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。系统电路结构图3 双闭环直流调速系统的动态结构图 （三）转速微分负反馈的设计双闭环调速系统的动态性能的不足之处就是转速必然超调，而且抗干扰性能的提高也受到一定限制。在某些不允许转速超调，或对动态抗干扰性能要求特别严格的地方，仅仅采用两个PI调节器的双闭环系统就显得有些力不从心了。解决的有效办法就是在转速调节器上引入转速微分负反馈，加入这一环节可以抑制转速超调直到消灭超调，同时可以大大降低动态速降。带转速微分负反馈的双闭环系统与普通双闭环系统的区别仅在转速调节器上，和普通转速调节器相比，增加了电容和电阻，即在转速负反馈的基础上叠加上一个
8、转速微分负反馈信号。转速微分负反馈环节的传递函数为： -转速微分时间常数。 -转速微分滤波时间常数。取= 0.01s的作用主要是对转速信号进行微分，因此称作微分电容；而的主要作用是滤去微分后带来的高频噪声，叫做滤波电阻。 （四）带转速微分负反馈的双闭环调速系统的动态结构图： 1.带转速微分负反馈的双闭环调速系统的动态结构图如图1所示，它包括电流滤波，转速滤波和两个给定滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤
9、波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。 图4 双闭环调速系统的动态结构图2.电流调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图示于图2，图中为电流调节器的给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压。 图 5 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器3. 转速调节器的实现 图 6 带微分负反馈的转速调节器（五）计算机仿真及波形 使用Simulink仿真，按图1的动态结构图设计，输入各个参数得到结构图. 图7 带转速微分负反馈的双闭环调速系统动态仿真结构图调试过程设计时,设ASR中的中频宽h=5；但从示
10、波器的波形看来，转速、电流波形都有很大的超调，且波形比较硬。经过改良后，波形超调减小并且较软。但转速超调依然很大，通过减小ASR的零点及限幅值，以及调节负载电流Idl，转速超调减小；但这会影响到电流，突给定后电流超调量过大，且恢复时间过长，经过反复调试,最终得到符合题目要求的波形。 图8 带转速微分负反馈的双闭环调速系统的电流、转速波形图仿真波形分析：在图5的波形中，我们可以将他的起动过程分三个阶段来分析第阶段（0-0.02s）是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制，使都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电
11、流环的调节作用.第阶段（0.02-0.06s）是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段t2（0.06s）以后是转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才
12、开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。仿真误差分析： 本系统调试是在仿真的基础上进行的，在调试的过程中发现，无论是根据工程设计方法的设计结果还是仿真结果，在实际调试时都不能获得令人满意的结果，其原因如:对于该系统，所给的机电时间常数在理论上应该是比电磁时间常数大，而要求中的参数值不符合理论要求，在仿真的过程中也不能得到设计要求的结果;经过对参数的修正后，由于人为时间常数的估计及现实仿真系统等多方面的误差，在转速超调量的调整上依然存在微小的误差。上面是较为理想的仿真图。五 总结1.直流双闭环调速系统引入转速微分负反馈后，
13、可使突加给定起动是转速调节器提早退饱和，从而有效的抑制以至消除转速超调。同时也增强了调速系统的抗干扰能力，在负载扰动下的动态速降大大降低，但恢复时间有所延长。2.微分反馈必须带滤波电阻，否则将引入新的干扰。3.求微分反馈双环系统的退饱和和过渡过程不能象普通双环系统那样借助于系统的抗扰性曲线，因为初始条件不一样。只能以退饱和点为初始条件求解带微分负反馈系统的微分方程。4.引入转速微分负反馈以后，动态速降大大降低，越大，动态速降越低，但恢复时间拖长了。5.在设计电流环时已经算出： = 135.1l/s，而3=28.17 l/s ，所以反电动势对于电流环来说可以忽略，但是， =34.5 3 ，因而对
14、于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。实际上，考虑到反电动势的影响，转速超调量将比上面的计算值更小，更能满足要求。六 实验验证 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统利用上述实验的原理，用以下器材DJK01 电源控制屏（含“三相电源输出”、“励磁电源”等模块） DJK02三相变流桥路（含“触发电路”、“正桥功放”、“三相全控整流”模块） DJK04 电机调速控制（含“给定”、“电流调节器”、“速度变换”等模块） DJK08 可调电容 DD03-2 电机导轨、测速发电机及转速表（或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表） DJ13 直流复励发电机 DJ15 直流并励电动机 DK04 滑线
15、变阻器（串联形式0.65A/2K；并联形式1.3A/500） 慢扫描示波器万用表 完成双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的实验，了解闭环不可逆直流调速系统工程的原理、组成及各主要单元部件的原理，掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定，究调节器参数对系统动态性能的影响(一) 实验线路及原理许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速成负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好
16、的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在处面，电流作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压波动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下：启动时，加入给定电压，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速（即=），并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电动机的转速。“电流调节器”、“速度调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用
17、“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制max的目的。(二) 实验内容1.各控制单元调试。2. 测定电流反馈系数、转速反馈系数。3. 测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(Id)。4. 闭环控制特性n=f(Ug)的测定。5. 观察、记录系统动态波形。 (三) 实验方法(1) DJK02上“触发电路”调试1. 打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。2. 将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调
18、速”侧。3. 打开DJK02电源开关。拨动“触发脉冲指示”处的钮子开关，使“窄”发光管亮。4. 观察A、B、C三相的锯齿波，调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。5. 将DJK04上的“给定”输出Ug直接接到DJK02上的移相控制电压Uct处，将给定的开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相锯齿波和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形，使=120度。6. 适当增加给的正电压输出，观测DJK02上“触发脉冲观察孔”的波形，此时应观测到双窄脉冲。7. 将DJK02面板上的U 端接地，将“正桥触发脉冲”的
19、六个开关拨至“通”观察正桥VT1VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。(2) 双闭环调速系统调试原则1. 先单元、后系统工程，即先将单元 的参数调好，然后才能组成系统。 2. 先开环、后闭环、即先使用权系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。3. 先内环、后外环，即先调试电流环，然后调试转速外环。4. 先调整稳态精度，后调整动态指标。(3) 控制单元调试1. 移相控制电压 调节范围的确定直接将DJK04给定电压接入DJK02移相控制电压的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R（用滑线变阻器接成串联形式），负载电阻放在最大值，输出给定调到零（对DZS
20、Z-1，将输出电压调至最小位置，当启动后，再将输出线电压调到200V）。按下启动按钮，给定电压由零调大，将随给定电压的增大而增大，当超过某一数值时，Ud的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值 =0.9，即的允许调节范围为0。如果我们把输出限幅定为的话，则“三相全控整流”输出范围就限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。2. 调节器的调零 将DJK04中电流调节器所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将电流调节器的“8”，“9”两端用导线直接短接），使电流调节器成为P（比例尺）调节器
21、，并将调节器放大倍数的电位器RP4，用万用表的直流毫伏档测量电流调节器的“10”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中速度调节器所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将速度调节器的“4”、“5”两端用导线直接短接），使速度调节器成为P（比例）调节器，将调节放大倍数的电位器RP4顺时针转到底（即放大倍数最小）。调节面板上的调零电位器RP1，用万用表的直流毫伏档测量速度调节器的“6”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。3. 调节器正、负限幅值的调整将电流调节器的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节
22、器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器PR2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器输出正限幅为。将速度调节器的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到速度调节器的“3”端，当加给定时，调整负限幅电位器RP3，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可。 电流反馈系数的整定 直接将“给定”电压接入移相控制电压的输入端，整流桥输出接电阻负载R（用滑线变阻器接成并联形式），负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，从零增
23、加给定，使输出电压升高，当=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流I =1.3A时，“2”端If的电流反馈电压 =6V，这时的电流反馈系数 =4.615V/A。 转速反馈系数的整定直接将“给定”电压接DJK02上的移直控制电压的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。 按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n=1500rpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压=6V，这时的转速反馈系数=/n=0.004V/（rpm）。 开环外特性的测定 D
24、JK02控制电压由DJK04上的给定输出直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，Ld用DJK02上的200mH,直流发电机接负载电阻R（将滑线变阻器接成串联形式），负载电阻放在最大值，输出给定调到零。 按下启动按钮，先接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压，使电机启动升速，调节和R使电动机电流Id=Ied，转速到达成1200rpm 增大电阻R阻值（即减小负载），可测出该系统的开环外特性 n=f（Id），记录于下表中：n (rpm)990999101510501080 Id(A)0.50.440.40.350.33将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。(5) 系统静特性测试
25、 按图5-9接线，DJK04的给定电压输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R（用滑线变阻器接成串联形式）。Ld用DJK02上的200mH，负载电阻入在最大值，给定的输出调到零。将速度调节器，电流调节器都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“速度调节器”，“电流调节器”均恢复成PI（比例尺积分）调节器，构成实验系统。 机械特性n=f()的测定A、 发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压，使电动机转速接近n=1200rpm,然后接入发电机负载电阻R（滑线阻器接成串联形
26、式），逐渐改变负载电阻，直至=，即可测出系统静态特性曲线n=f() ，并记录于下表中：n (rpm)1200119011801180117511751170 (A)0.200.250.300.350.400.450.50B、 降低，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：n (rpm)800790790785775770775 (A)0.200.250.320.380.420.480.50C、闭环控制系统n=f()的测定调节及R，使=、n=1200rpm逐渐降低，记录和n，即可测出闭环控制特性n=f()n (rpm)120011001000950900850800 系统动态特性
27、的观察用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下（“速度调节器”的增益和积分电容、“电流 调节器”的增益和积分电容、“速度”的滤波电容），用示波器观察、记录下列动态波形： 突加给定，电动机启动时的电枢电流（“电流反馈与过流保护”的“2”端）波形和转速成（“速度变换”的“3”端）波形。 突加额定负担定负载（20% 100%）时电动机电枢电流波形和转速波形。 突加负载（100%20%）时电动机的电枢电流波形和转速波形。(四) 实验波形图 图9 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形七 心得体会通过这次课程设计，使我了解了双闭环调速系统的基本的动态性能以及相应参数的变化对系统的影响和调节方法。例如
28、当变小时,由，最大电流是由设计者选定的,取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度, 变小, 不变, 从而也将随之变小,即输出限幅值变小.由此例可知,相应的调节方法,通过调节使系统保持相应的稳定性,并满足系统稳态精度和动态性能要求.使用MATLAB仿真,增进了对MATLAB的应用和掌握,复习和巩固了所学知识,同时增加了实际应用的经验.在这次实验中,将理论与实际相结合,又一次体会了控制理论重要性,为以后的学习和工作奠定了基础.了解了双闭环调速系统具有良好的稳态和动态性能,工作可靠,是一种应用广泛的调速系统.在加入转速微分负反馈后,抑制了转速超调,大大降低了动态速降,增强了系统的抗干扰能力
29、.使我了解了相应的调节方法,例如:调节电流由看出,可以调节的大小,达到题目的要求.同时也加强了对MATLAB的操作水平,理论联系了实际,真正的将课本知识运用与系统的分析设计中.其次,加强了对电力拖动自动控制系统的学习，特别是加深了对按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器的认识.例如当变大时,由得,由于为给定值不发生变化,所以只要将给定值变大同样可以达到要求.同时了解到带转速微分负反馈的双闭环调速系统可以抑制转速超调知道消灭超调,同时大大降低动态速降.设计中用到了工科最常用的仿真软件MATLAB。在调试过程中，从波形中直观的理解了电流、转速及转速微分环节的作用，各参数对系统性能的影响。增强了分析问题的能力,可以更好的将所学的知识运用与实际的问题之中.