(完整word版)双闭环控制系统

课程设计报告

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课题双闭环控制系统设计

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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，并且要求直流脉动小、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。因为电机电流连续所以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，相应的可以调速）。

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，然而滤波环节可以使反馈信号延迟，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

I N=P N

U N =3000

160

=18.75A (2-1)

额定电阻

R N=U2

P =1602

3000

=8.53Ω(2-2)

设置晶闸管放大系数K s=40

2.1.1时间参数选择

整流装置滞后时间常数T s，利用三相桥式电路的平均控制时间

T s=0.0017s (2-3) 电流滤波时间常数

T oi=0.002s(2-4)

电流环小时间常数和

T∑i=T s+T oi=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

T l=L

R =20×10−3

0.785

=0.03s(2-6)

电流开环增益：

K I=0.5

T∑i =0.5

0.0037

≈135.1s−1(2-7)

C e=U r−I d R a

n =160−24×0.785

1590

≈0.088V∙min/r(2-8)

β=10

1.5I N =10

1.5×18.75

=0.533V/A(2-9)

机电时间常数

T m=GD2R

375C e C m =0.072×0.785×1000

375×0.0882×30

π

=2s （2-10）

电流调节器超前时间常数

τi=T l=0.03s(2-11)电流调节器比例参数

K i=K Iτi R

K sβ=135.1×0.03×0.785

40×0.533

≈0.149(2-12)

2.1.3校验近似条件

电流环截止频率

ωci=K I=135.1S−1

(2-13)①电力电子变换器纯滞后的近似处理

ωci<1

3T s =1

3×0.0017

s−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≥3√1

√T T =3√1

√2×0.03

s−1≈12.26s−1(2-15)

③电流环小惯性群的近似处理

ωci<1

3√1

T s T oi

=1

3

√1

0.0.17×0.02

s−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=10

n N =10

1590

=0.006V∙min/r(2-17)

1

K I

=2T∑i=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% T

t r/ 2.40 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.35 T

t S/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