双闭环V-M调速系统中主电路,电流调节器及转速调节器的设计

中北大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书学生姓名：学号：学院：信息与通信工程学院专业：自动化题目：双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计指导教师：2011年8月25日中北大学电力拖动自动控制系统课程设计任务书11/12 学年第一学期学院：信息与通信工程学院专业：自动化学生姓名：学号：课程设计题目：双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计起迄日期：8月22 日～8月26日课程设计地点：中北大学指导教师：下达任务书日期: 2011年08月22日课程设计任务书一、 设计题目：双闭环V-M 调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。

二、 已知条件及控制对象的基本参数：（1）已知电动机参数为：nom p =3kW ，nom U =220V ，nom I =17.5A ，nom n =1500r/min ，电枢绕组电阻a R =1.25Ω，2GD =3.532N m 。

采用三相全控桥式电路，整流装置内阻rec R =1.3Ω。

平波电抗器电阻L R =0.3Ω。

整流回路总电感L=200mH 。

（2）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im U *=－8V ，ACR 限幅输出ctm U =8V ，最大给定nm U *=10V ，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电流dbl I =2.1nom I ，临界截止电流 dcr I =2nom I 。

（3）设计指标：电流超调量δi %≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量δn ≤10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间 t s ≤0.5。

三、 设计要求（1）用工程设计方法和[西门子调节器最佳整定法]* 进行设计，决定ASR 和ACR 结构并选择参数。

（2）对上述两种设计方法进行分析比较。

（3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图（4）利用matlab/simulink进行结果仿真。

* 为可选作内容四、设计方法及步骤：Ⅰ用工程设计方法设计（1）系统设计的一般原则：（2）电流环设计1）确定时间常数2）选择电流调节器结构3）选择电流调节器参数根据上述参数可以达到的动态指标为4）校验近似条件（3）转速环设计1）确定时间常数2）选择转速调节器结构3）选择转速调节器参数4）校验近似条件5）易犯错误Ⅱ用西门子调节器最佳整定法设计* （1）电流环的动态校正（2）转速环的动态校正Ⅲ两种设计方法的分析比较五、设计心得：六、参考资料：一．系统设计的一般原则：按照“先内环后外环” 的设计原则，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。

（2）电流环设计电流环动态结构图及简化：1）确定时间常数根据已知数据得三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间0.0017sT，取电流反馈滤波时间常数，可得电流环的小时间常数为0.002oiT，可得电流环的小时间常数为2）选择电流调节器结构但由于对电流超调量有较严格要求，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3）选择电流调节器参数积分时间常数：% 5%，取电流环开环增益K I 为：为满足δi为：电流调节器比例系数KI取调节器的输入电阻R0=20K，则电流调节器的各参数为：根据上述参数可以达到的动态指标为：故能满足设计要求。

4）校验近似条件电流环截至频率：晶闸管装置传递函数近似条件为：又有：故该近似条件满足。

小时间常数近似处理条件为：则故该近似条件满足。

（3）转速环设计转速环动态结构图及简化：确定时间常数电流环的等级时间常数为0.0074s。

取转速反馈滤波时间常数0.01s，转速环的时间常数为：2）选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。

为此，转速调节器采用近似PI调节器，按典型II型系统进行设计。

可证明，当近似PI调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为3）选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量δ%和过渡过程时间ts。

如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h 值重新进行计算，直到满足设计要求为止。

当h=5时，ASR退饱和超调量为：式中λ为电动机允许过载系数，按题意λ=2.1；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0;，当h=5时，故起动到额定转速，即n= 时，退饱和超调量为δ=9.2%小于10%，满足设计要求。

空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间ts延长，ts 可表示为 ts=t0+t2, 其中t2为恒流升速时间，t0是退饱和超调过渡过程时间.转速环开环增益为ASR比例系数为如去调节器输入电阻Ro=20k，则4）校验近似条件转速环截止频率为故满足该简化条件。

小时间常数近似处理条件为：故满足该简化条件。

5）易犯错误此系统是有差系统，ASR似乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。

这时，转速环的开环放大系数为根据设计指标，转速超调量要求δn%小于10%，据此可选择参数为于是上述设计过程的错误是：ASR采用比例调节器，当其放大系数为9.7时，虽可满足动态指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。

由前述计算可知，发展稳态指标要求时KASR=76.3，即ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR采用PI调节器（或近似PI调节器）后，才能较好地解决这个矛盾。

为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用PI调节器，并按典型II型系统进行设计。

另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间st时，若查教材表2-6，当h=5时，得是不对的，此错误在于：教材表2-6所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适用与线性系统。

而实际系统在突加给定后，由于ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。

Ⅱ用西门子调节器最佳整定法设计（1）电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图2-27所示。

对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI调节器，即如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统所得调节器参数为因Ro=20k，取1F，于是取68。

这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量（2）转速环的动态校正将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如图所示。

对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用PI调节器，即如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统所得调节器参数为R0=20k，取Cn=0.47uF，给定滤波器的时间常数为0.0696S当转速调节器采用上述参数，并在输入端加给定滤波器后，系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量δ=8.1%，过渡过程时间ts=16.4×0.0174s=0.265s。

Ⅲ两种设计方法的分析比较（1）西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型I型系统在结构上是一样的。

前者选择参数的条件，相当于典型I型系统中选12KT的情况。

（2）西门子设计方法中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II型系统在结构上是一样的。

前者选择参数的条件，相当于典型II型系统中选中频宽h=4的情况。

（3）西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR饱和，因此给出的δ过大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小δ，因此只要ASR 饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。

此外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这就给现场调试带来一定困难。

二、设计心得：这次电力拖动自动控制系统历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

1.学习是没有止境的。

在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。

但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。

最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。

并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。

其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。

2.多和同学讨论。

我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后程序和在一起。

讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。

3.多改变自己设计的方法。

在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。

三、参考资料：[1]黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社。