控制系统课程设计

控制系统（1）课程设计指导书1

2012-2013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 n

RI I n

s 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

/N

N

ASR n ASR nm I I s s K U K U D

ββ=≈

=

所以 *

/N

ASR nm I K sU D

β=

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D 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 ) /b ，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

s

s K s W i i i ACR )

1()(ττ+=

式中 K i —电流调节器的比例系数；

t i —电流调节器的超前时间常数。