控制系统课程设计

控制系统（1）课程设计指导书12012-2013学年第一学期班级：电气定单2009级一班指导教师：张开如一、课程设计任务书1.课程设计题目：双闭环直流调速系统的设计2.课程设计主要参考资料（1）电力拖动自动控制系统-运动控制系统，陈伯时主编，第3、4版，机械工业出版社（2）电力电子技术（教材），王兆安，黄俊主编，机械工业出版社（3）电力电子技术，孙树朴等编著，2000.7，中国矿业大学出版社3.课程设计应解决主要问题（1）推导双闭环调速系统的静特性方程式：工作段和下垂段静特性方程式；（2）计算系统的稳态参数；（3）用工程设计方法进行动态设计，确定ASR和ACR结构并选择参数（注：应考虑给定和反馈滤波）；（4）画出三相全控桥式晶闸管整流电路图，计算晶闸管定额参数（电压、电流等）。

4.课程设计相关附件这一项不填（所有相关图纸画在设计过程中的相关位置）。

5.时间安排共四周：2012.8.27～2012.9.21。

第一、二周：2012.8.27～2012.9.7理论设计。

要求：根据指导书进行设计。

第三、四周：2012.9.10～2012.9.21实验室调试（根据实验室情况，可以延期到四周后的周六或周日做实验）。

二、已知条件及控制对象的基本参数（1）已知电动机参数为：额定功率P N=3kW，额定电压U N=220V，额定电流I N=17.5A，额定转速n N=1500r/min，电枢绕组电阻R a=1.25Ω，GD2=3.53N·m2。

（2）采用三相全控桥式晶闸管整流，整流装置内阻R rec=1.3Ω。

平波电抗器电阻R L=0.3Ω。

整流回路总电感L=200mH（考虑了变压器漏感等）。

（3）采用速度、电流双闭环调节。

这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出U im*=-10V，ACR限幅输出U ctm=10V，ASR和ACR的输入电阻R o=20KΩ，最大给定U nm*=10V，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电流I dbl=2.1I N，临界截止电流I dcr=2I N。

（4）设计指标：电流超调量σi %≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间t S≤1.5s。

三、设计要求（1）画出双闭环调速系统的电路原理图和系统的稳态结构图（设ASR和ACR均采用PI调节器）；（2）推导系统的静特性方程式：工作段和下垂段静特性方程式；（3）计算系统的稳态参数，包括：推导计算K ASR公式、推导计算K ACR公式；计算C e、n cr(临界截止电流I dcr对应的电动机转速)、电流反馈系数β、K ASR、K S和K ACR；（4）用工程设计方法进行动态设计，决定ASR和ACR结构并选择参数（注：应考虑给定和反馈滤波）；（5）动态设计过程中画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图；（6）画出三相全控桥式晶闸管整流电路图，计算晶闸管定额参数；（7）（此小题为选做）若选用锯齿波垂直移相相控触发电路，试画出与电流调节器输出信号和各晶闸管的连接线路图，并选择触发电路同步电压（画出晶闸管主电路及同步变压器）。

四、设计方法及步骤1.稳态设计（1）画系统的稳态结构图时，应先画出电路原理图，而此时的PI调节器只有两种状态：饱和-输出达到限幅植，不饱和-输出未达到限幅植。

参考教材。

（2）在推导系统的静特性方程式时，注意所谓工作段是指调节器的输出未达到限幅植，此时的稳态结构图参考教材。

下垂段静特性方程式是指速度调节器的输出达到限幅植，此时只有电流环起作用。

据此即可推导出系统的静特性方程式。

（3）将工作段的静特性方程式用相对值表示时，可得到12**11d d o ASR ACR s n ASR nRI I ns s n K K K U K U β=--=-- 由于ASR S ACR ASR K K K K >>，所以系统的静差率主要为s 2起作用，而s 1可以忽略不计。

故系统的静差率可近似表示为2**min/NNASR n ASR nm I I s s K U K U Dββ=≈=所以 */NASR nm I K sU Dβ=由于电动机堵转时n=0,I d =I dbl ,代人下垂段静特性方程式，可得到一方程。

另堵转电流I dbl 和临界截止电流I dcr 在一条特性曲线上，故可将n cr 和临界截止电流I dcr 也代入下垂段静特性方程式得到另一方程，由这两方程即可推导出计算K ACR 的公式。

由于静特性是线性的，所以n cr =n N -Δn N 。

计算电流反馈系数β时应考虑最大电流情况；同样计算K S 也应考虑最大电流情况。

2.电流环的动态设计系统动态设计一般原则是“先内环后外环”，从内环开始，逐步向外扩展。

在这里，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中的一个环节，再设计转速调节器。

先应绘出双闭环调速系统的动态结构图，然后先将电流环挑出并设计好，电流环设计可分为以下几个步骤：● 电流环结构图的简化 ● 电流调节器结构的选择 ● 电流调节器的参数计算 ● 电流调节器的实现（1）电流环动态结构图及简化 简化内容：● 忽略反电动势的动态影响● 等效成单位负反馈系统小惯性环节近似处理1)忽略反电动势的动态影响，即∆E ≈0。

这时，绘出电流环的动态结构图。

2)等效成单位负反馈系统如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U *i (s ) /β ，则电 流环便等效成单位负反馈系统，绘出单位反馈形式的动态结构图。

3)小惯性环节近似处理最后，由于T s 和T oi 一般都比T l 小得多，可以当作小惯性群而地看作是一个惯性环节，绘 出近似后的单位反馈形式的动态结构图。

其中T ∑i =T s +T oi 。

（2）电流调节器结构的选择 典型系统的选择：● 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I 型系统就够了。

● 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I 型系统。

由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I 型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成ss K s W i i i ACR )1()(ττ+=式中 K i —电流调节器的比例系数；τi —电流调节器的超前时间常数。

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择电流环的动态结构图，并绘出单位反馈形式的动态结构图和开环对数幅频特性。

其中RK K K i s i I τβ=（3）电流调节器参数计算在一般情况下，希望电流超调量σi <5%，由教材查表，可选ξ=0707，K I T ∑i =0.5，则ici I 21∑==T K ω 和 )(22is i s i ∑∑==T T K RT K R T K l l ββ注意：如果实际系统要求的跟随性能指标不同，应作相应的改变。

此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。

（4）电流调节器的实现绘出模拟式电流调节器电路图，并进行电流调节器电路参数的计算。

对需要的参数应进行一一计算。

1)确定时间常数根据已知数据得：N N a U E I R =+，e N N N a E C n U I R ==-，()eN N a NC U I R n =-30/m e C C π=。

机电时间常数为：2)375m e m T GD R C C =⨯，l T L R =，a rec L R R R R =++三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间T s =0.0017s ；三相桥式整流电路每个波头的时间为3.3ms ，应有（1~2）T oi =3.3ms 。

因此，取电流反馈滤波时间常数T oi =2ms=0.002s 。

可得电流环的小时间常数之和为：T Σi =T s +T oi2）选择电流调节器结构验证T l /T Σi 是否大于10。

若大于，但由于对电流超调量有较严格要求，根据设计要求，电流超调量σi %≤5%，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I 型系统设计。

电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为1i ACR ii s W K sττ+=3)选择电流调节器参数积分时间常数τi =T l =L/R 。

为满足σi %≤5%要求，应取5.0=∑i I T K ，所以电流环开环增益K I 为iI T K ∑=5.0，于是，电流调节器比例系数K i 为I i i s K R K K τβ=（式中ctm dbl U I β=）。

由于调节器的输入电阻R o =20K Ω，可以计算出电流调节器的各参数，并取为标称植。

根据计算的参数验证可否达到的动态指标为σi %=4.3%的设计要求。

4）校验近似条件a.按电流环截至频率ωci =K I ，校验晶闸管装置传递函数近似条件：13ci sT ω≤。

b.按忽略反电动势影响的近似条件：ci ω≥ c.按小时间常数近似处理条件为ci ω≤3.转速环的动态设计转速环的动态设计可分为以下几个步骤： 电流环的等效闭环传递函数● 转速调节器结构的选择 ● 转速调节器参数的选择 ● 转速调节器的实现（1）电流环的等效闭环传递函数 1）电流环闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。

2）传递函数化简 按教材求出的iIcn 31∑≤T K ω近似条件，并忽略高次项，得到降阶的传递函数。

3）电流环等效传递函数接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U *i (s )，因此电流环在转速环中应等效为d cli *i ()()()I s W s U s β= 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。

（2）转速调节器结构的选择 1）转速环的动态结构用电流环的等效环节代替实际的电流环后，绘出整个转速控制系统的动态结构图。

2）系统等效和小惯性的近似处理和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U *n(s )/α，再把时间常数为1/K I 和T on 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中on In 1T K T +=∑ 3）转速环结构简化绘出等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的动态结构图。

4）转速调节器选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。