運動控制系統(tǒng)課程設計：雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計

1、運動控制系統(tǒng)課程設計專 業(yè)：自動化設計題目：雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計班級： 自動化0942學生姓名：周孝紅學號： 08指導教師：雷霞分院院長：許建平教研室主任：葉天遲電氣工程學院一、課程設計任務書1.設計參數(shù) 三相橋式整流電路，已知參數(shù)為：PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,電動勢系數(shù)Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14，允許電流過載倍數(shù)=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75,電磁時間常數(shù)Tl=0.031s,機電時間常數(shù)Tm=0.112s電流反饋時間常數(shù)Toi=0.002s,轉速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s。且調節(jié)器輸入輸出

2、電壓U*nm=U*in=U*cm=10V,調節(jié)器輸入電阻R0=40K。2.設計內容1）根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2） 建立雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型。3）動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與ACR調節(jié)器的結構形式及進行參數(shù)計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。4） 利用MATLAB進行雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。3.設計要求： 1）該調速系統(tǒng)能進行平滑地速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(wěn)定工作。2）系統(tǒng)靜特性良好，無

3、靜差（靜差率）。3）動態(tài)性能指標：轉速超調量n10%，電流超調量，動態(tài)最大轉速降，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間）。4)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)。5)主電路采用三項全控橋。4. 課程設計報告要求1）、要求在課程設計答辯時提交課程設計報告。2）、報告應包括以下內容：A、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理調節(jié)器的工程設計Simulink仿真B、系統(tǒng)調試過程介紹，在調試過程中出現(xiàn)的問題，解決辦法等；C、課程設計總結。包括本次課程設計過程中的收獲、體會，以及對該課程設計的意見、建議等；D、設計中參考文獻列表；E、報告使用B5紙打印，全文不少于2000字。5. 參考資料1 朱

4、仁初，萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設計手冊M.北京：機械工業(yè)出版社，1994.2 王兆安，黃俊.電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2006.3 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)M,第三版. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007年6月4 孔凡才晶閘管直流調速系統(tǒng)M北京:北京科技出版社，19855 段文澤，童明倜.電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設計M.四川：重慶大學出版社,1989.10.6 運動控制系統(tǒng)課程設計指導書.6. 設計進度（2012年12月3日至12月14日）時間設計內容12月3日布置設計任務、查閱資料12月4日-12月7日方案論證及總體設計12月10日-12月13日系統(tǒng)調試及整理課

5、程設計報告12月14日課程設計答辯7. 課程設計時間及地點2012年12月3日2012年12月14日上午8：0011：00；下午13：0016：00設計地點：新實驗樓，運動控制實驗室（310）二、評語及成績考核項目考核內容評估標準等級完成情況（50）方案設計（15）優(yōu)：設計方案合理，內容正確，有獨立見解或創(chuàng)造性；良：方案正確，有一定見解； 中：設計方案及內容基本正確，分析問題基本正確，無原則性錯誤；及：設計方案及內容基本合理，分析問題能力較差，但無原則性錯誤；不及：設計方案不合理，有嚴重的原則性錯誤；優(yōu)良中 及不及技術指標（20）優(yōu)：各項指標均完全達到良：各項指標基本達到，只有一項指標有微小差

6、距中：有一項指標沒有達到及：有兩項指標沒有達到不及：有三項指標以上沒有達到優(yōu)良中 及不及設計報告（15）優(yōu)：設計報告內容正確，完整，規(guī)范，圖面質量好，且符合國家制圖標準；良：設計報告內容正確，較完整，規(guī)范，圖面質量較好，且符合國家制圖標準；中：設計報告內容有個別錯誤，較完整，較規(guī)范，圖面質量一般； 及：設計報告內容基本正確完整，較規(guī)范，有多個錯誤；不及：設計報告內容中不加消化，照搬照抄；優(yōu)良中 及不及綜合能力（30）設計實施能力（15）優(yōu)：能夠自行利用現(xiàn)有資料，對設計方案進行合理分析，方案確定正確，程序設計合理，工具軟件使用熟練；良：在教師指導下能夠利用現(xiàn)有資料，對設計方案進行合理分析，方案確

7、定正確，程序設計合理，工具軟件使用熟練；中：在教師指導下能夠利用現(xiàn)有資料，對設計方案進行合理分析，方案確定較正確，程序設計較合理，工具軟件使用較熟練；及：教師指導參與過多，才能夠利用現(xiàn)有資料，對設優(yōu)良中 及不及考核項目考核內容評估標準等級綜合能力（30）設計實施能力（15）計方案進行檢驗，程序設計較合理，工具軟件使用較熟練；不及：不能在教師指導下完成規(guī)定的設計方案檢驗。故障處理能力（15）優(yōu)：能夠自行對硬件和程序出現(xiàn)的問題，進行合理、高效的解決；良：在教師指導下能夠較好處理硬件和程序出現(xiàn)的問題，并能夠消化吸收；中：在教師指導下能夠基本處理硬件和程序出現(xiàn)的問題，有一定的分析能力；及：教師指導參與

8、過多，才能夠完成硬件和程序出現(xiàn)的問題；不及：不能在教師指導下完成故障的處理。優(yōu)良中 及不及基本素質（20）安全文明操作（10）優(yōu)：沒有發(fā)生任何安全事故和設備、設計現(xiàn)場整齊規(guī)范；良：沒有發(fā)生任何安全事故和設備，設計現(xiàn)場較整齊規(guī)范；中：沒有發(fā)生任何安全事故和設備，設計現(xiàn)場欠整齊；及：沒有發(fā)生安全事，現(xiàn)場長期臟、亂差，或造成材料浪費不及：發(fā)生安全事，或現(xiàn)場長期臟、亂差，或造成材料浪費優(yōu)良中 及不及勞動紀律（10）優(yōu)：能完全遵守課程設計管理制度和作息制度，無違紀行為良：能遵守課程設計管理制度和無曠工行為，遲到/早退1次中：能遵守課程設計管理制度和無曠工行為，遲到/早退2次及：違反守課程設計管理制度，或

9、有1次曠工、或遲到/早退3次不及：勞動紀律出現(xiàn)重大問題，取消成績優(yōu)良中 及不及總成績：指導教師:等級評分標準：優(yōu)=90上，良=8980,中=7970,及=6960，不及=60下運動控制系統(tǒng)課程設計報告班級： 自動化0942 姓名： 周孝紅 學號： 08號 指導教師： 雷霞 撰寫日期：2012-12-11目錄緒論1第一章課程設計內容與要求分析21.1 課程設計題目21.2 課程設計內容與要求分析21.2.1 課程設計內容21.3 課程設計要求分析2第二章雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理42.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹42.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成52.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性

10、62.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型82.4.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型82.4.2 起動過程分析9第三章調節(jié)器的工程設計123.1 調節(jié)器的設計原則123.2 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較123.3 電流調節(jié)器的設計133.3.1 結構框圖的化簡和結構的選擇133.3.2 時間常數(shù)的計算153.3.3 選擇電流調節(jié)器的結構153.3.4 計算電流調節(jié)器的參數(shù)163.3.5 校驗近似條件163.3.6 計算調節(jié)器的電阻和電容173.4 轉速調節(jié)器的設計183.4.1 轉速環(huán)結構框圖的化簡183.4.2 確定時間常數(shù)193.4.3 選擇轉速調節(jié)器結構193.4.4 計算轉速調節(jié)器參數(shù)20

11、3.4.5 檢驗近似條件203.4.6 計算調節(jié)器電阻和電容21第四章 Simulink仿真234.1 電流環(huán)的仿真設計234.2 轉速環(huán)的仿真設計234.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真設計25課程設計總結26參考文獻27緒論許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調速系統(tǒng)調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是直流調速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾

12、性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)的調速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許

13、最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流轉矩的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠實現(xiàn)制動調速，因此我們就要對這樣的自動調速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。本次設計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由檢測電路，驅動電路構成，檢測電路又包括轉速檢測和電流檢

14、測等部分。第一章 課程設計內容與要求分析1.1 課程設計題目雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計1.2 課程設計內容與要求分析課程設計內容1.設計參數(shù) 三相橋式整流電路，已知參數(shù)為：電動機的各項參數(shù):PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,電動勢系數(shù)Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14，允許電流過載倍數(shù)=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75,電磁時間常數(shù)Tl=0.031s,機電時間常數(shù)Tm=0.112s電流反饋時間常數(shù)Toi=0.002s,轉速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s。且調節(jié)器輸入輸出電壓U*nm=U*in=U*cm=10V,調節(jié)器輸入

15、電阻R0=40K。2.設計內容1）根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2） 建立雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型。3）動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與ACR調節(jié)器的結構形式及進行參數(shù)計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。4） 利用MATLAB進行雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。1.3 課程設計要求分析1）該調速系統(tǒng)能進行平滑地速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(wěn)定工作。2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3）動態(tài)性能指標：轉速超調量

16、n10%，電流超調量，動態(tài)最大轉速降，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間）。4)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)。5)主電路采用三項全控橋。第二章雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系

17、統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖1-（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程(b)理想快速起動過程圖2.1 調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形在實際工作中，我們希望在電機最大

18、電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過

19、程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速

20、系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2.2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉速給定電壓和轉速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓；ASR轉速調節(jié)器； ACR電流調節(jié)器；TG測速發(fā)電機；TA電流互感器；UPE電力電子變換器2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性Ks a 1/CeU*nUc

21、tIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖2.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2.3所示，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此

22、，= =（1-1）= =（1-2）由式（1-1）可得：n=從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，<可知<，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：=（1-3）其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，ASR將退出

23、飽和狀態(tài)。圖2.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性曲線2.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型2.4.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖2.5所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2.5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖2.4.2起動過程分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突

24、加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉速調節(jié)器輸出電壓、電流調節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機電樞電流和轉速的動態(tài)響應波形過程如圖2.6所示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成、三個階段。圖2.6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形第一階段是電流上升階段。當突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉動（n=0），轉速負反饋電壓，這時，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當增加到（負載電流）時，電動機開始轉動，以后轉速調節(jié)器ASR的輸出很快達到限幅值，從而使電樞電流達到所對

25、應的最大值（在這過程中的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即（1-3）式中，電流反饋系數(shù)。速度調節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調節(jié)器是不應該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應該飽和。第三階段是轉速調節(jié)階段。轉速調節(jié)器

26、在這個階段中起作用。開始時轉速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在以最大電流下加速，使轉速超調。超調后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電流，在開始一段時間內轉速仍繼續(xù)上升。到時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉速調節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時，轉速等于給定值，電樞

27、電流等于負載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為（1-4）ACR的輸出電壓為（1-5）由上述可知，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速響應一定有超調，只有在超調后，轉速調節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時ASR發(fā)揮調節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調速。故雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質。綜上所述，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線形控制：隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于

28、完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設計這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉速超調：當轉速調節(jié)器ASR采用PI調節(jié)器時，轉速必然有超調。轉速略有超調一般是容許的，對于完全不允許超調的情況，應采用其他控制方法來抑制超調。（3）準時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最

29、優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應用。第三章 調節(jié)器的工程設計3.1 調節(jié)器的設計原則為了保證轉速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1. 保證轉速在設定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)；2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；3. 減小轉速超調量。為了解決上述問題，就必須對轉速、電流兩個調節(jié)器的進行優(yōu)化設計，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計算公式簡明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況

30、，同樣給出簡明的計算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調速系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的工程設計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調節(jié)器類型、計算調節(jié)器參數(shù)、計算調節(jié)器電路參數(shù)、校驗等內容。在選擇調節(jié)器結構時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設計方法規(guī)范化，大大減少了設計工作量。3.2型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、型、型系統(tǒng)。自動控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的，而型及型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為

31、了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用型、型系統(tǒng)，典型的型、型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為（2-1）（2-2）一般說來典型型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調小，但抗憂性能差；而典型型系統(tǒng)的超調量相對要大一些而抗擾性能卻比較好。基于此，在轉速-電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，即能否抑制超調是設計電流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設計為型系統(tǒng)，電流調節(jié)的設計應以此為限定條件。至于轉速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求，所以轉速環(huán)通常設計為型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時間常數(shù)Ts和電流濾波時間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為

32、一個慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi。這樣，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設計成典型型系統(tǒng)，同理，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉速環(huán)的被控對象形如式(2-1)。如前所述，轉速環(huán)應設計成型系統(tǒng)，所以轉速調節(jié)器也就設計成PI型調節(jié)器，如下式所示:（2-3）3.3 電流調節(jié)器的設計3.3.1結構框圖的化簡和結構的選擇在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE0。這時，電流環(huán)如圖3.1所示。圖3.1電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：式中-電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移

33、到環(huán)內，同時把給定信號改成U*i(s) /b，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。圖3.2等效成單位負反饋系統(tǒng)最后，由于Ts和T0i一般都比Tl小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為Ti = Ts + Toi則電流環(huán)結構圖最終簡化成圖3.3圖3.3小慣性環(huán)節(jié)的近似處理3.3.2時間常數(shù)的計算1、直流電機參數(shù)PN=555KW, PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,電動勢系數(shù)Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14，允許電流過載倍數(shù)=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75。電磁時間常數(shù)Tl=0.031s,機電時間常數(shù)Tm

34、=0.112s電流反饋時間常數(shù)Toi=0.002s,轉速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s。且調節(jié)器輸入輸出電壓U*nm=U*in=U*cm=10V,調節(jié)器輸入電阻R0=40K。2、整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s。3、電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s。4、電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti=Ts+Toi=0.0017s +0.002s =0.0037s。5、電樞回路電磁時間常數(shù)Tl=0.031s。6、電力拖動系統(tǒng)機電時間常Tm=0.112s。3.3.3選擇電流調節(jié)器的結構要求電流無靜差，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動

35、的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成（2-5）式中Ki 電流調節(jié)器的比例系數(shù)；ti 電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的。3.3.4計算電流調節(jié)器的參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=Tl=0.031s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，應取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：3.3.5校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1；晶閘管

36、整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：滿足近似條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：滿足近似條件電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：滿足近似條件3.3.6計算調節(jié)器的電阻和電容圖3.4 PI型電路調節(jié)器的組成按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為：3.4 轉速調節(jié)器的設計3.4.1轉速環(huán)結構框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖便如圖3.5所示和電流環(huán)一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改成U*n(s)/a，再把時間常數(shù)為

37、1 / KI和 T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)圖3.5用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉速環(huán)的動態(tài)結構圖最后轉速環(huán)結構簡圖為圖3.6圖3.6等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉速環(huán)結構框圖3.4.2確定時間常數(shù)1、電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由電流環(huán)參數(shù)可知KITi=0.5，則2、轉速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.02s3、轉速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取3.4.3選擇轉速調節(jié)器結構為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開