自动控制系统课程设计-双闭环直流调速系统的设计.doc

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1、课 程 设 计 任 务 书专 业班 级姓 名设 计 起 止 日 期设计题目：设计任务（主要技术参数）：指导教师评语：成绩： 签字：年 月 日双闭环直流调速系统的设计班 级：08t自动化1学 号：姓 名：指导教师： 设计时间：2011.12.20-2011.12.24目 录1 课程设计的目的 12 课程设计的主要内容 12.1 系统的组成 12.2 系统的工作原理 22.3 系统的静特性分析 22.4 系统的动态过程分析 32.5 电流调节器的设计 42.6 转速调节器的设计 72.7 电流环的仿真 92.8 转速环的仿真 112.9 过电流保护 163 设计结果分析 173.1 电压变化和负载

2、变化引起的扰动情况 173.2 转速、电流双闭环直流调速系统存在的缺点及解决方案 183.3 电流调节器和转速调节器的作用 193.4 采用转速电流双闭环直流调速系统的理由 194 设计心得体会 21参考文献 22课程设计说明书 NO.11 课程设计的目的自动控制系统课程设计是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是使学生巩固和加深课程的理论知识，结合实际，融会贯通。进一步培养学生独立分析和解决实际工程技术问题的能力。充分发掘自身的潜力，开拓思路设计双闭环 直流调速系统。并掌握其系统的组成、工作原理、调节器的设计及Simulink仿真等内容，同时在计算、绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为今

3、后的学习工作奠定基础。2 课程设计的主要内容2.1 系统的组成如图1所示，为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），二者之间实行嵌套（或称串级）连接，且都带有输出限幅电路。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电力电子变换器UPE。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。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统1。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子变换器，为转速给定电压，为转速反馈电压，为电流给定电压，为电流反馈电

4、压。图1 双闭环直流调速系统沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.22.2 系统的工作原理如图2所示，图中标出了两个调节器输入输出的电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压U为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。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PI调节器。在启动过程中由于外环很快达到饱和，只有电流负反馈起作用，此时相当于在最大允许起动转矩的情况下进行恒流起动，系统能获得最大的加速度，且电流和转速负反馈分别加到两个调节器的输入端，到达稳态转速后，转速环起作用，系统进行转速调节，使转速稳定，此时电流环只起跟随作用，这样就可以实现准时间最优控制，使系

5、统能够获得良好的静、动态性能。图2 双闭环直流调速系统电路原理图2.3 系统的静特性分析双闭环直流调速系统的稳态结构如图3所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压U限制了电力电子变换器的最大输出电压U1。分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出达到限沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.3幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使

6、该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。图3 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数2.4 系统的动态过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压U由静止状态起动时，转速和电流的动态起动过程如图4所示。由于在启动过程中，转速调节器ASR历经了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分为图中标明的、三个阶段。第阶段是电流上升阶段。第阶段是恒流升速阶段。第阶段是转速调节阶段。图4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.4双闭环直流调速系统由直流电动机环节、功率驱动环节、电流转速控制

7、环节共同构成，通过推导可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如图5所示。双闭环直流调速系统为了实现转速和电流两种负反馈的作用，分别设置了转速调节器和电流调节器。两个调节器一般都采用PI调节器，在实际运行中可能处于不饱和、饱和两种状态。其次，双闭环调速系统包含可电流、转速两个控制回路，所以系统不能简单地用线性控制理论分析2。用工程设计的方法来设计转速、电流双闭环直流调速系统的两个调节器，应按照设计多环控制系统“先内环后外环”的一般原则。从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该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的一个环节，再设计转速调节器。双闭环直流调速系统的动态结构图如

8、图5所示，图中增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。有测速发电机得到的转速反馈电压含有换向文波，因此也需要滤波，滤波时间常数用T表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为T的给定滤波环节。图5 双闭环直流调速系统的动态结构图2.5 电流调节器的设计 整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1000r/min，=0.192Vmin/r，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：K=44；电枢回路总电阻：R=1；沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.5时间常数：T=0.0167s，T=0.075s；电流反馈系数：=0.0

9、5V/A（10V/1.5I）。设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量5%。（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数T=0.00167s。电流滤波时间常数T。三项桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）T=3.33ms，因此取T=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和T= T+ T=0.00367。（2）选择电流调节器结构根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：W（s）=检查对电源电压的抗扰性能：4.55，各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常

10、数：=0.0167s。电流环开环增益：要求5%时，应取=0.5，因此K=s136.2 s于是，ACR的比例系数为=1.034沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.6（4）校验近似条件电流环截止频率：=136.2 s校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件= s199.6 满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3=3* s84.8 满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件=* s182.4 s 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图所示，按运算放大器取R=40k，各电阻和电容值计算如下：1.034*40k=41.36 k 取40 kC=0.41F 取0.4FC=

11、0.2F 取0.2F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5% 满足设计要求沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.7图6 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.6 转速调节器的设计除电流调节器的设计中已给出数据外，已知：转速反馈系数=0.01Vmin/r，要求转速无静差，空载起动到额定转速时转速超调量10%。（1）确定时间常数电流环等效时间常数。由电流调节器的设计，已取=0.5，则=2T=2*0.00367s=0.00734转速滤波时间常数T。根据所用测速发电机的波纹情况，取T=0.01s。转速小时间常数T。按小时间常数近似处理，取T=+ T=0.00734+0.01=0

12、.01734（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：W（S）=（3）计算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=5*0.01734=0.0867s沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.8转速环开环增益为K=s399.1 sASR的比例系数为K=2.5（4）检验近似条件转速环截止频率为=K=399.1*0.0867s34.6 s电流环传递函数简化条件= s64.2 s 满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件= s38.9 s 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图7所示，取R=40k，则2.5*40k=10

13、0k 取100kC=F0.867F 取1FC=1F 取1F（6）校核转速超调量当h=5时，=37.6%，不能满足设计要求。按ASR退保和的情况重新计算超调量。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.9（7）退饱和时转速超调量的计算=2（）（）=2*81.2%*1.5*8.98%10%满足设计要求图7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.7 电流环的仿真电流环的仿真模型如图8所示，其中晶闸管整流装置输出电流可逆。图8 电流环的仿真模型图9（a）的PI参数是根据上述电流环设计的结果设定的，参数关系是KT=0.5。在此基础上，利用图8的仿真模型，可以观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势，找到符合工

14、程要求的更合适的参数。以KT=0.25的关系式按典型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为0.517+，很快地得到了电流环的阶跃响应沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.10的仿真结果如图9(b)所示，无超调，但上升时间长；以KT=1.0的关系式得到PI调节器的传递函数为2.068+，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图9(c)所示，超调大，但上升时间短。KT=0.5时的超调量=4.2%KT=0.25时的超调量=0%KT=1.0时的超调量=23.4%图9（a）、(b)分别给定KT=0.5和KT=0.25时的阶跃响应曲线，可以看出，给定量不同时，对应超调量过渡过程时间不相同。给定KT=0.

15、25时，过渡过程时间约为0.2s，超调量为0；而当给定KT=0.5时，过渡过程时间约为0.4s，超调量约为4.2%。可见随着KT的增大，过渡过程时间和超调量都变大。KT过大时，系统的动态性能满足不了使用要求的需要。图9(a) 电流环的仿真结果沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.11图9(b) 无超调的仿真结果图9(c) 超调量较大的仿真结果2.8 转速环的仿真转速环的仿真模型如图12所示。图10 转速环的仿真模型沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.12双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10。ASR调节器经过了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，最终稳定运行于给定转速。图11（a）的PI参数是根据上述转速

16、环设计的结果设定的，参数关系是KT=0.5。在此基础上，利用图10的仿真模型，可以观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势，找到符合工程要求的更合适的参数。以KT=0.25的关系式按典型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为1.25+，很快地得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图11(b)所示；以KT=1.0的关系式得到了PI调节器的传递函数为5+，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图11(c)所示；KT=2.0的关系式得到了PI调节器的传递函数为10+，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图11(d)。KT=0.5时的超调量=37.6% KT=0.25时的超调量=44.3%KT=1.0时

17、的超调量=28.2%KT=2.0时的超调量=7.5%图11（a）、(d)分别给定KT=0.5和KT=2时的阶跃响应曲线，可以看出，给定量不同时，对应超调量过渡过程时间不相同。给定KT=2时，过渡过程时间约为0.55s，超调量为7.5%；而当给定KT=0.5时，过渡过程时间约为0.3s，超调量约为37.6%。可见随着KT的减小，过渡过程时间减小，但超调量增大。KT过小时，系统的动态性能满足不了使用要求的需要。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.13图11（a） KT=0.5时转速环空载高速起动波形图图11（b） KT=0.25时转速环空载高速起动波形图图11（c） KT=1.0时转速环空载高速起

18、动波形图沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.14图11（d） KT=2.0时转速环空载高速起动波形图双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10。把负载电流的设置为136，满载起动，其转速与电流响应曲线如图12(a)所示，起动时间延长，退饱和超调量减少。图12（a）的PI参数是根据上述电流环设计的结果设定的，参数关系是KT=0.5。以KT=0.25的关系式按典型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为1.25+，很快地得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图12(b)所示；以KT=1.0的关系式得到了PI调节器的传递函数为5+，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图12(c)所示；以KT=2.0的关系式

19、得到了PI调节器的传递函数为10+，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图12(d)所示。KT=0.5时的超调量=11.2%KT=0.25时的超调量=20.0%KT=1.0时的超调量=9.0%KT=2.0时的超调量=7.5%图12（a）、(d)分别给定KT=0.5和KT=2时的阶跃响应曲线，可以看出，给定量不同时，对应超调量过渡过程时间不相同。给定KT=2时，过渡过程时间约为0.55s，超调量为7.5%；而当给定KT=0.5时，过渡过程时间约为0.3s，超调量约为11.2%。可见随着KT的减小，过渡过程时间减小，但超调量增大。KT过小时，沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.15系统的动态性能

20、满足不了使用要求的需要。图12（a） KT=0.5时转速环满载高速起动波形图图12（b） KT=0.25时转速环满载高速起动波形图图12（c） KT=1.0时转速环满载高速起动波形图沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.16图12（d） KT=2.0时转速环满载高速起动波形图2.9 过电流保护要求是在控制电路中检测到电流，然后能马上切断晶闸管的电压实现保护。可以选择用稳压管或电压比较器。下面是选用电压比较器LM393的设计方案，一个输入端输入来自电流检测的电流信号；另一个输入端输入过电流设定值。LM393的电机保护电路图如图16所示。图16 LM393的电机保护电路图设计思路（1）当A点电压大于

21、B点电压时，Vout反转，由低电平变为高电平，仪器报警，沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.17以防止电机过载损坏；（2）运放实际供电为5.12V（微机-11型电源+5V输出）；（3）LM741负输入端基准电压V=5*R4/（R3+R4）=1.503V；（4）C1,C2滤波；R1为2W、1%金属膜电阻；R2,R5保护运放LM741正负输入端；R3,R4为LM741负输入端分压电阻，精度为1%；R6反馈电阻，保护芯片；R6保护输出端目标；（5）电机用电阻替代，以实现A点分压；（6）LM741正输入端电压来自“微机-11型电源”的+6V26V在R1上的分压，R1和电机代替电阻根据具体情况配置；（7

22、）LM741负输入端电压来自“微机-11型电源”的+5V在R4上的分压，R3和R4根据具体情况配置；（8）当B点分压为1.5V、1V、0.4V，A点分压大于或小于B点电压时，运放输出均为高电平，不能达到使用要求；（9）将B点分压配置为2.476V,调节A端分压： 当A点分压小于2.476V时，输出Vout为低电平1.795V；当A点分压大于2.476V时，输出Vout为高电平4.57V。芯片用作比较器正常工作；（10）进行进一步测试，当负端输入电压小于2.0V时，芯片用作比较器时不能正常工作。3 设计结果分析直流电机双闭环系统是常见的伺服系统.对于伺服的控制需要对它的运行状态惊醒辨识

23、，而这些状态往往无法直接通过测量得到，需要设计并通过相应的状态观察器得到。同时，从实际观测的角度出发，为消除存在的干扰，需要对电机系统的输出（从实时情况下测量得到电机的转动速度）和系统状态进行滤波处理3。3.1 电压变化和负载变化引起的扰动情况（1）电压变化引起的扰动 采用转速、电流双闭环调速系统后，由于增加了电流内环，而电网电压扰动被包围在电流环里面，当电网电压发生波动时，可以通过电流反馈得到及时调节，沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.18不必等到它影响到转速后，再由转速调节器作出反应。因此，在双闭环直流调节系统系统中，由电网电压扰动所引起的动态速度变化要比在单闭环调节系统中小的多4。（2

24、）负载变化引起的扰动随着负载转矩T的变化，ASR和ACR的输出电压也发生相应的变化。因此，负载变化的过程是ASR调节作用的过程，依靠它的输出电压的相应变化，使ACR和晶闸管整流装置的输出电压的变化来补偿负载电压I在主电路电阻上引起的电压变化，以保证稳定状态下电动机的转速等于给定转速。在整个过程中，ACR的作用是始终力图使发动机电流与ASR的输出电压相当，对抗负载扰动没有好处反而有一定不利的影响4。3.2 转速、电流双闭环直流调速系统存在的缺点及解决方案由双闭环直流调速系统得分析可知，该系统的最大特点是电动机的上升加速度/可以任意控制，起动过程能实现时间最优控制。但是，通过其起动波形发现转速、电

25、流双闭环直流调速系统还存在如下三个缺点5。（1）转速从高速变低速时控制系统失控。因为当可控整流装置的输出电压由大变小时，电动机所储存的能量无法回馈给电网，所以造成控制系统失控。（2）第第阶段的电流上升率不能控制。我们希望在第阶段的上升率越大越好，因为电流上升率越大，越接近理想的起动波形，但是晶闸管和大功率三极管不允许有过大的电流变化率。（3）启动结束时，转速必须出现超调才能使转速调节器ASR退出饱和状态。通过前面的分析我们知道，由于转速电流双闭环直流调速系统给定起动电流的可变性，导致上升时间短，超调量却不一定的现象出现，但是还是有超调。如果生产工艺要求不允许有超调，如何来解决这个问题呢？问题关

26、键点已经明确，如果能找到一种方法即让转速调节器的输入信号极性改变，又要让实际转速不超调，问题就会全面解决。要解决这个问题，就是让转沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.19速调节器提前退饱和，目前广泛采用两种方法。一是瞬间降低转速给定电压，二是自动提高转速反馈电压。第二种又分为改变转速反馈系数和采用转速微分负反馈。这里我就不一一介绍。3.3 电流调节器和转速调节器的作用转速调节器的作用（1）转速调节器的调节系统是主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压U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动机允许的最大电流。电流调节

27、器的作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压U（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起即使抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。3.4 采用转速电流双闭环直流调速系统的理由同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，

28、它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.20统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网

29、等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环直流调速系统。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.214 设计心得体会通过了一周的自动控制系统课程设计，让我懂得了更多与专业方面知识有关的东西，为下学期的学习打下了更坚实的基础。自动控制系统课程设计的内容有很多老师并没有讲过，书上也没有，也就是说

30、完成了课程设计以后我们才算真正的完整的学完了自动控制系统这门课。课程设计让我们走出了课堂的局限，能够让自己亲身实践，设计双闭环直流调速系统。设计过程中，首先我总结了双闭环直流调速系统的组成、工作原理，分析了其静特性和动态过程，其次我先设计了电流调节器，后设计了转速调节器，最后对它们分别进行了系统仿真。在分析其动态过程中，我发现了双闭环直流调速系统存在的三个问题，并一一列出，但后面我也分析了为什么选用双闭环直流调速系统，其优点和特性。在仿真结束后我又参照文献1、文献4分别总结了电流调节器和转速调节器的作用、电压变化和负载变化引起的扰动情况。在设计过程快完成时，我的设计又出现了两个难点，一是在设计

31、过电流保护环节出现了问题，要求是在控制电路中检测到电流，然后能马上切断晶闸管的电压实现保护。我考虑了用稳压管和电压比较器两种方案。但最终我选择了第二种，利用电压比较器LM393，一个输入端输入来自电流检测的电流信号；另一个输入端输入过电流设定值。完成了过电流保护。二是双闭环直流调速系统启动结束时，转速必须出现超调才能使转速调节器ASR退出饱和状态，如果生产工艺要求不允许有超调，如何来解决这个问题呢？最终我总结了两种法案，一是瞬间降低转速给定电压，二是自动提高转速反馈电压。第二种又分为改变转速反馈系数和采用转速微分负反馈。这次课程设计中，我还遇到了很多问题，但最终经过我的努力，翻阅书籍、请问老师

32、同学等等我都一一克服了，直到最后设计成功。那种喜悦无法用语言来形容。这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的自动控制系统的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些!沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.22参考文献1阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京:机械工业出版社,2009.8:60-93 2李永龙,李祖枢,王牛.直流电机双闭环调速系统的建模与辨识J.控制理论与应用,2008,25（6）:1-23潘娅,王姮,王牛,李永龙.基于卡尔曼滤波的双闭环直流电动系统状态观测器J.信息与控制,2009,38（1）:1-24尔桂花,窦日轩.运动控制系统M.北京:清华大学出版社,2002.10:65-66 5曾毅.现代运动控制系统工程M.北京:机械工业出版社,2006.8:153-155沈 阳 大 学