按工程设计方法设计双闭环系统的调节器(转速调节器和电流调节器)
《自动控制原理》考纲、试题、答案
《自动控制原理》考纲、试题、答案一、考试说明《自动控制原理与系统》通过本课程的学习，为其它专业基础及专业课的学习奠定理论基础。
充分理解自动控制系统所涉及到的基本概念，掌握自动控制系统各种数学模型的建立及转换方法，掌握分析自动控制系统的各种经典方法及常用综合方法。
了解直流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。
掌握直流转速单闭自动控制系统和转速、电流双闭环自动控制系统的静、动态设计方法，深刻领会和掌握控制系统的工程设计方法，能够熟练应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。
了解交流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，特别是重点了解和掌握笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量控制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。
本课程闭卷考试，满分100分，考试时间90分钟。
考试试题题型及答题技巧如下：一、单项选择题 (每空2分，共40分)二、选择题 (每题2分，共20分)三、名词解释（每题5分，共20分）答题技巧：相关知识点要回答全面，因为都可能是采分点，涉及的基本概念要表述清楚，要点清晰，简明扼要，进行必要解释，切忌长篇大论。
四、计算题（每题10分，共20分）答题技巧：第一，审题。
审题时需明确题目要求和给出的已知条件，注意各已知条件的单位，注意各因素比较的基准等，并注意所给条件中哪些是有用的，哪些是用来迷惑考试人员的，以防用错。
第二，确定解题方法和解题思路。
通过审题，明确了题目要求和已知条件，便可确定以哪种估价方法为主线，并根据该方法中用到的未知条件确定需借助的其他方法。
明确的解题思路，并保持清醒的头脑。
第三，公式和计算步骤。
计算过程中，涉及的计算公式一定要列出，哪怕没有时间计算，列出需要的几个公式也能得到相应的分数。
计算一定要分步计算，而且尽量细分。
并能对计算步骤作简要说明，答题时按顺序进行，避免跳步被扣分。
电力拖动自动控制系统PDF198页
（2） 转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈 开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双
闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节
反馈系数计算
鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参 数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是 和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调 节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：
转速反馈系数
α
=
U
* nm
(2-6)
n max
电流反馈系数
β
=
U
* im
(2-7)
I dm
两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设 计者选定，设计原则如下：
上述关系表明，在稳态工作点上，
转速 n 是由给定电压U*n决定的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的； 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id， 或者说，同时取决于U*n 和 IdL。
这些关系反映了PI调节器不同于P调 节器的特点。比例环节的输出量总是正 比于其输入量，而PI调节器则不然，其 输出量的稳态值与输入无关，而是由它 后面环节的需要决定的。后面需要PI调 节器提供多么大的输出值，它就能提供 多少，直到饱和为止。
n
Ks
1/Ce
- Un
α
图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图
α—转速反馈系数; β —电流反馈系数
2. 限幅作用
存在两种状况：
饱和——输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入
实验二转速电流双闭环直流调速系统
实验二 转速、电流双闭环直流调速系统一、实验目的1．了解转速、电流双闭环直流调速系统的组成。
2．掌握双闭环直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。
3．测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标。
4．了解调节器参数对系统动态性能的影响。
二、实验系统组成及工作原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。
实际系统的组成如实验图2-1所示。
实验图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统主电路采用三相桥式全控整流电路供电。
系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压*n U 可方便地调节电动机的转速。
速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作用；ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。
当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出*im U ，使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动，直到电动机转速达到给定转速(即*n n U U )并出现超调，使ASR 退出饱和，最后稳定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。
三、实验设备及仪器1.主控制屏NMCL-322.直流电动机-负载直流发电机-测速发电机组3. NMCL －18挂箱、NMCL-333挂箱及电阻箱4.双踪示波器5.万用表四、实验内容1.调整触发单元并确定其起始移相控制角，检查和调整ASR 、ACR ，整定其输出正负限幅值。
2.测定电流反馈系数β和转速反馈系数α，整定过电流保护动作值。
3.研究电流环和转速环的动态特性，将系统调整到可能的最佳状态，画出)(t f I d =和)(t f n =的波形，并估算系统的动态性能指标（包括跟随性能和抗扰性能）。
转速电流双闭环直流调压调速系统
转速电流双闭环直流调整系统摘要：本设计通过分析双闭环直流调速系统系统的组成，设计出系统的电路原理图。
从电力拖动不可逆直流调速系统主电路开始着手，设计整流电路，选择整流器件，计算整流变压器参数，设计保护电路及控制电路。
然后，采用工程设计的方法对双闭环直流调速系统的电流调节器和转速调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。
遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、效验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。
最后用AUTCAD 绘制出整个系统的电器原理图。
关键词：整流电路、转速调节器、电流调节器、工程成设计方法。
目录第1章系统原理 (1)1.1 双闭环调速系统的工作原理 (1)1.2 双闭环直流调速系统的数学模型 (1)1.3双闭环直流调速系统两个调节器的作用 (1)第2章调节器的具体设计 (3)2.1 电流调节器的分析 (3)2.2 转速调节器的分析 (4)2.3 转速电流双闭环参数 (4)2.4 电流环的设计 (5)2.5 速度环的设计 (6)总结与体会 (10)参考文献 (11)第1章 系统原理许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
电力拖动自动控制系统考纲及试题
电力拖动自动控制系统考纲及试题直流调速系统一判断题5串级调速系统的容量随着调速范围的增大而下降。
（Ⅹ）6交流调压调速系统属于转差功率回馈型交流调速系统。
（Ⅹ）7普通串级调速系统是一类高功率因数低效率的仅具有限调速范围的转子变频调速系统。
（√）9交流调压调速系统属于转差功率不变型交流调速系统。
（Ⅹ）13转差频率矢量控制系统没有转子磁链闭环。
（Ⅹ）计算转子磁链的电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。
9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。
（Ⅹ）10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。
（√）与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。
（Ⅹ）16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。
二选择题2绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）A0S1，输出功率低于输入功率BS0，输出功率高于输入功率C0S1，输出功率高于输入功率DS0，输出功率低于输入功率4绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）Ａnn1，输出功率低于输入功率Bnn1，输出功率高于输入功率Cnn1，输出功率高于输入功率Dnn1，输出功率低于输入功率5与矢量控制相比，直接转矩控制（D）A调速范围宽B控制性能受转子参数影响大C计算复杂D控制结构简单7异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是A补偿定子电阻压降B补偿定子电阻和漏抗压降C补偿转子电阻压降D补偿转子电阻和漏抗压降8异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制9电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时，A开关频率高，B电流波形失真小C电流谐波分量高D电流跟踪精度高4系统的静态速降△ned一定时，静差率S越小，则（）。
转速电流双闭环直流调压调速系统综述
3 1 3
1
40.82
TmTl
0.18 0.03
（3）校验电流环小时间常数近似处理条件
1 1 1
1
180.8
3 TsToi 3 0.0017 0.002
ci
2.2.5 调节器电阻和电容的计算
2 系统参数------------------------------------------------------------------ 6 2.1 参数要求------------------------------------------------------------ 6 2.2 电流调节器的参数计算------------------------------------------------ 6 2.2.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 6 2.2.2 电流调节器的结构选择 -----------------------------------------6 2.2.3 电流调节器的参数计算------------------------------------------ 7 2.2.4 校验近似条件 -------------------------------------------------7 2.2.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 7 2.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------------ 8 2.3.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 8 2.3.2 转速调节器的结构---------------------------------------------- 8 2.3.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------ 8 2.3.4 检验近似条件-------------------------------------------------- 9 2.3.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 9 2.3.6 校核转速超调量------------------------------------------------ 9
毕业设计：双闭环直流调速系统的工程设计
第1章第2章第3章绪论1.1课题的背景、目的及意义电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。
这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。
有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。
20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。
尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。
因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。
直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。
本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。
1.2本课题国内、外研究应用情况近30年来，电力拖动系统得到了迅猛的发展。
但技术革新是永无止尽- 1 -的，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：1.2.1采用新型电力电子器件电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。
智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。
传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。
电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。
由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。
转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计
运动控制系统课程设计题目:转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计1. 设计题目转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计2. 设计任务已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下：1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=r,允许过载倍数λ=2）晶闸管装置放大系数：K s=303）电枢回路总电阻：R=Ω4）时间常数：T l=,T m=,转速滤波环节时间常数T on取5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果;系统要求：1）稳态指标：无静差2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10%3. 设计要求根据电力拖动自动控制理论,按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如下：1）设计电流调节器的结构和参数,将电流环校正成典型I型系统；2）在简化电流环的条件下,设计速度调节器的结构和参数,将速度环校正成典型II型系统；3）进行Simulink仿真,验证设计的有效性;4.设计内容1 设计思路：带转速负反馈的单闭环系统,由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压,以补偿电枢回路电阻压降的变化,所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降;当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时,它依靠被调量的偏差进行控制的,因此是有静差率的调速系统,而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速,实现无静差调速;对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流,可以用附带电流截止负反馈作限流保护,但这并不能控制电流的动态波形;按反馈的控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变,采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程;另外,在单闭环调速系统中,用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响,难于进行调节器的参数调速;例如,在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中,同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节,调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质;按照电机理想运行特性,应该在启动过程中只有电流负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速反馈,双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时,转速负反馈起主要作用,当电流达到最大值时,电流负反馈起主要作用,得到电流的自动保护;2双闭环调速系统的组成：a.系统电路原理图图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图;图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器,二者串级连接,即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置;电流环在内,称之为内环；转速环在外,称之为外环;两个调节器输出都带有限幅,ASR的输出限幅什U im决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值U im,对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U cm 限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角α;图2－1 双闭环调速系统电路原理图b.系统动态结构图图2-2为双闭环调速系统的动态结构框图,由于电流检测信号中常含有交流分量,须加低通滤波,其滤波时间常数T oi按需要选定;滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量,但同时也给反馈信号带来了延滞;为了平衡这一延滞作用,在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节;其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞,使二者在时间上得到恰当的配合,从而带来设计上的方便;由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波,因此也需要滤波,滤波时间常数用T on表示;根据和电流环一样的道理,在转速给定通道中也配上时间常数为T on的给定滤波环节;T oi—电流反馈滤波时间常数T on—转速反馈滤波时间常数图2－2双闭环调速系统的动态结构图3）按工程设计方法设计双闭环系统的ACR：设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始,一环一环地逐步向外扩展;在这里是：先从电流环入手,首先设计好电流调节器,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;a.确定时间常数整流滤波时间常数T s,三相桥式电路的平均失控时间T s=；电流滤波时间常数T oi,三相桥式电路每个波头的时间是,为了基本虑平波头,应有1～2Toi=,因此取Toi=2ms=；电流环小时间常数T∑i,按小时间常数近似处理,取T∑i=T s+T oi=;b.选择电流调节器结构由设计要求：σi%≤5%,并保证系统稳态电流无误差,因此可按典型I型系统设计,电流调节器选用PI 型,其传递函数为: W ACR s =isis Ki ττ1+ c.校验近似条件电流环截止频率11.135-==s KI ci ω； 晶闸管装置传递函数近似条件为：13ci sw T ≤=,满足近似条件； 忽略反电动势对电流环影响的条件为：ci w ≥满足近似条件； 小时间常数近似条件处理条件为：ci w ≤=, 满足近似条件;d.计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3－1所示,按所用运算放大器取R 0=40kΩ,各电阻和电容值计算如下：,取30k; ,取;-图3－1含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：σi %=%<5%,满足设计4按工程设计方法设计双闭环系统的ASR ：a.确定时间常数电流环等效时间常数为20.0074i T s ∑=；转速滤波时间常数Ton ,根据所用测速发电机波纹情况,取Ton=； 转速环小时间常数n T ∑ 按小时间常数近似处理,取n T ∑=20.0174i T Ton s ∑+=;b ．选择转速调节器结构由于设计要求无静差,转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求,应按典型Ⅱ型系统设计速度环,故ASR 选用PI 调节器,其传递函数为：1()n ASR nn s W s K sττ+= c.计算速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则,取h=5,则ASR 的超前时间常数为：50.01740.087n n hT s τ∑==⨯=,转速环开环增益： 2224.39621-∑=+=s T h h K nN 于是,ASR 的比例系数: =d.校验近似条件由转速截止频率：15.341-===s n KN KNcn τωω; 电流环传递函数简化条件： ,满足简化条件; 转速环小时间常数近似条件为： ,满足近似条件;e.计算调节器电阻和电容转速调节原理图如图3－2所示,取040R k =Ω,则,取550k; ,取;图3－2含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器-按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：当h=5时,查表得%,虽然不满足设计要求,而实际上,突加阶跃给定时,ASR 饱和,应按退饱和的情况重新计算超调量,实际%,满足设计要求;5内、外开环对数幅频特性的比较图4－1把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上,其中各转折频率和截止频率依次为：13.2700037.011-==∑s i T ,151.570174.011-==∑s n T , 151.34-=s cn ω,15.11087.011-=s n τ; 以上频率一个比一个小,从计算过程可以看出,这是必然的规律;因此,这样设计的双闭环系统,外环一定比内环慢;一般来说,1150~100-=s ci ω,150~20-=s cn ω;从外环的响应速度受到限制,这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点;然而,这样一来,每个环本身都是稳定的,对系统的组成和调试工作非常有利;总之,多环系统的设计思想是：以稳为主,稳中求快;L/dBO1/-s ωiT ∑1ciωnT ∑1cn ωnτ1InI-电流内环 n-转速外环图4－1又闭环系统内环和外环的开环对数幅频特性－20－40－20－406 晶闸管的电压、电流定额计算a.晶闸管额定电压U N晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um ,考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素,还要放宽2～3倍的安全系数,即按下式选取U N ＝2～3Um ,式中系数2～3的取值应视运行条件,元件质量和对可靠性的要求程度而定;b.晶闸管额定电流I N为使晶闸管元件不因过热而损坏,需要按电流的有效值来计算其电流额定值;即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值;可按下式计算：I N =~2K fb I MAX ;式中计算系数K fb =Kf/由整流电路型式而定,Kf 为波形系数,Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数;当α=0时,三相全控桥电路K fb =,故计算的晶闸管额定电流为I N =~2K fb I MAX =~2 ××220×=～,取200A;7平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感,因而计算直流回路附加电抗器的电感量时,要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中,扣除上述两种电感量;a.电枢电感量L M 按下式计算)(2103mH I Pn U K L NN N D M ⨯=P —电动机磁极对数,K D —计算系数,对一般无补偿电机：K D =8~12; b.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感L B 按下式计算)(100%2mH I U U K L dK BB •= U 2—变压器次级相电压有效值,I d —晶闸管装置直流侧的额定负载电流,K B —与整流主电路形式有关的系数;c.变流器在最小输出电流I dmin 时仍能维持电流连续时电抗器电感量L 按下式计算min2d I U K L •=, K 是与整流主电路形式有关的系数,三相全控桥K 取则L ＝mH.6）进行Simulink 仿真,验证设计的有效性a. 电流闭环的仿真如下图：为了研究系统的参数对动态性能的影响,分别取K I T ∑i =、、、,此时K I 的值也会随之变化,运行仿真,即可得不同K I 值的阶跃响应曲线：图6-1 KT=的阶跃响应曲线图6-2KT=的阶跃响应曲线图6-3 KT=的阶跃响应曲线图6-4 KT=的阶跃响应曲线由曲线可以看出如果要求动态响应快,可取KT=；如果要求系统超调小,则应把KT 的值取小些,可取KT<;无特殊要求,取折中值KT=,,称为最佳二阶系统;图6-1~图6-4反映了PI 调节器的参数对系统品质的影响趋势,在工程设计中,可以根据工艺的要求,直接修改PI 调节器的参数,找到一个在超调量和动态响应快慢上都较满意的电流环调节器;b. 转速环的仿真设计在增加转速环调节后,转速环开环传递函数如下： )1()1()(n 2n N n ++=∑s T s s K s W τ 校正后的调速系统动态结构框图如下所示：其中me n n N T C R K K βτα=;在matlab中搭建好系统的模型,如下图：转速环的仿真设计为满足系统在不同需求下的跟随性与抗扰行能要求,取h的之分别为：3、5、7、9. 用matlab仿真结果如下：图7-1h=3时的阶跃响应曲线图7-2h=5时的阶跃响应曲线图7-3h=7时的阶跃响应曲线图7-4h=9时的阶跃响应曲线由图可以看出：h值越小,动态降落也越小,恢复时间、调节时间也短,抗扰性能也越好,但是,从h<5以后,由于震荡剧烈h越小,恢复时间反而延长,综合起来看,h=5是最佳选择,也即最佳三阶系统;对电流环与转速环都是根据实际需要调节参数的,对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现：Ⅰ型系统可以在跟随性上做到超调小,但抗扰性能差；而Ⅱ型系统超调却相对较大,抗扰性能较好;5.设计心得a.通过该次设计,更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统的结构组成以及它的工作原理,加深了对开环、闭环有静差、无静差调速的理解---闭环结构保证系统的稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系统有较低的稳态误差;b.由此也初步掌握双闭环调节器的整个设计过程,其基本思想是先内环再外环;在结构框图的处理过程中有多处近似处理,简化了传递函数,从而使问题得到简化,因此称为被称为“工程设计方法”,这意味着在实际的应用中,在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果的方法是很有价值的;从开环到闭环、从闭环无静差到有静差、从单环到双环着一些列的变化显示人们人知的渐进性;仿真是自己临时捡起matlab课本重新回顾才完成的,仿真的直观的证明了最佳二阶、三阶系统的参数,并再一次体现了matlab在控制中的重要作用,的确是一个很强大的仿真工具;整个仿真过程也加深了自己对电力拖动控制相关知识理解程度,相当于也许经过证明的才是最可靠的;d.由于水平有限,设计中肯定有许多错误和不足的地方,敬请老师指正;6．参考文献【1】陈伯时,电力拖动自动控制系统;机械工业出版社;【2】李荣生,电气传动控制设计指导;;。
双闭环直流调速系统课程设计
UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面称为内环，转速环在外面，称作外环。
这就形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。
图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图2.双闭环的稳态结构图和静特性图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。
对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
3.双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示，图中分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图中必须把电枢电流Id 显露出来。
图3 双闭环直流调速系统的动态结构图4.双闭环直流调速系统的调速方法调节转速可以有三种方法： （1）调节电枢供电电压U ； （2） 减弱励磁磁通Φ； （3） 改变电枢回路电阻R 。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。
改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。
5.电流环、速度环的设计初始条件某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =；额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =⋅，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=；转速反馈系数0.007min/V r α=⋅。
运动控制系统习题集解(直流部分)
习题二转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2-1 在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节什么参数改变转速调节器的放大倍数Kn行不行改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行改变转速反馈系数α行不行若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数答：①在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：转速给定电压U*n，因为转速反馈系统的转速输出服从给定。
②改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡过程，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。
因此，不能通过改变转速调节器的放大倍数Kn，来改变转速③改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡过程，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。
因此，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速④改变转速反馈系数α，能改变转速。
转速反馈系数α的影响不在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。
因此，可以通过改变转速反馈系数α来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。
⑤若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反馈系数α等，因为它们都在电流环之外。
2-2 在转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少为什么答：在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，转速调节器退饱和，PI的作用使得转速调节器的输入偏差电压为0，转速调节器的输出电压由于维持在U*im（n*）。
在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，电流调节器不饱和，PI的作用使得电流调节器的输入偏差电压为0，形成一个电流随动子系统，力图使I d尽快跟随其给定U*i. 电流调节器的输出电压U C又后面的环节决定。
按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统
按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统一．设计内容及相关参数：已知晶闸管－直流电动机双环调速系统（V-M）整流装置采用三相桥式线路，已知参数为:直流电动机：P N=10kW，U N=220V，I N=136A，n N=1500r/min，Ce=0.228V/r.minλ=1.2V-M系统主电路总电阻：R=0.863Ω电枢回路电磁时间常数：T l =0.028s系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数：T m=0.383s 系统测速反馈系数α=0.0041v·min/r系统电流反馈系数β=0.028V/A触发整流装置的放大系数：K s=30三相桥式平均失控时间：T s=0.00167s电流环滤波时间常数：T oi=0.005s转速环滤波时间常数：T on=0.005s二、设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量σi%=5％；空载起动到额定转速时的转速超调量σn%=10％。
第一章题目的意义及个人对题目的理解随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面，提出了更高的要求，这就要大量使用调速系统。
由于直流电动机的调速和转矩控制性能好，从20世纪30年代起就开始使用，其中最典型的是转速电流双闭环控制的直流调速系统。
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
在闭环控制的直流系统中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。
根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。
双闭环三相异步电动机调压调速系统设计
双闭环三相异步电动机调压调速系统设计引言：异步电动机的转速恒小于旋转磁场的转速n1，只有这样，转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。
如果n=n1，转子绕组与定子磁场之间无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见n<n1是异步电动机工作的必要条件。
由于电动机转速n与旋转磁场转速n1不同步，故称为异步电动机。
一、三相异步工作原理三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场。
转速的大小由电动机极数和电源频率而定。
旋转磁场的转速n1称为同步转速。
它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为：n1=60f1∕p对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。
所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。
交流异步电动机机械特性的参数表达式如下：变压调速是异步电动机调速方法中的一种，由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可下，电磁转矩与定子电压以机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。
本实验即采用定子调压调速系统，就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，即改变定子电压调速。
如下图画出了定>子电压为、、 (时的机械特性。
1 / 17sab 通风机负载特c”Ua1Sm n m b' 'c '>U'U>U11”T ema T L x二、设计流程:1电动机的选型假设电动机工作于普通机床主轴传动系统中，设定最大转速为，可选出电动机型参数如下：1440r/min12A 满载时定子电流：Y132S-4 额定功率：5.5KW 型号：0.84 满载时功率因数：满载时效率：85.5% 满载时转速：1440r/min2.2N.m /额定转矩：/额定电流：7A 堵转转矩堵转电流210mm 定子外径：115mm 气隙长度0.4mm 铁芯长度：1-0.9mm -d：136mm定子内径：定子线规根数1~9mm 绕组形式：单层交叉节距：47每槽线数：Z1/Z2:36/32 定转子槽数系统结构确定如图所示2 / 172主电路设计：2.1晶闸管的选择晶闸管选择主要根据变流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。
第二章+双闭环直流调速系统
2.2 双闭环调速系统的稳态结构图及其静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性， 必须先绘出它的稳态结构图，如下图。 它可以很方便地根据上图的原理图画出 来，只要注意用带限幅的输出特性表示 PI 调节器就可以了。分析静特性的关键 是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。
2.2.1 双闭环调速系统的稳态结构图
不饱和——输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐 明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳 态时总是零。
2.2.2 双闭环调速系统的静特性
实际上，在正常运 行时，电流调节器 是不会达到饱和状 态的。因此，对于 静特性来说，只有 转速调节器饱和与 不饱和两种情况。 双闭环直流调速 系统的静特性如图 所示，
2. 理想的起动过程
Id Idc Idm n IL O t O Id Idm n IL t b) 理想的快速起动过程
a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统
直流调速系统起动过程的电流和转速波形
• 性能比较
带电流截止负反馈的 单闭环直流调速系统 起动过程如图所示， 起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反 馈的作用降低下来， 电机的电磁转矩也随 之减小，加速过程延 长。
上述关系表明，在稳态工作点上，
转速
n 是由给定电压Un决定的；
ASR的输出量Ui是由负载电流 IL 决定的； 控制电压
Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id， 或者说，同时取决于Un 和 IL。
这些关系反映了PI调节器不同于P调 节器的特点。比例环节的输出量总是正 比于其输入量，而PI调节器则不然，其 输出量的稳态值与输入无关，而是由它 后面环节的需要决定的。后面需要PI调 节器提供多么大的输出值，它就能提供 多少，直到饱和为止。
电流、转速双闭环调节器设计
设计题目1：电流、转速双闭环调节器设计设计内容：1.转速调节器ASR 及电流调节器ACR 的设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成触发电路设计4.主电路及其保护电路设计设计要求：1.转速调节器ASR （%5≤n σ）；2.电流调节器ACR （%5≤i σ）设计题目2：单闭环交流电机调压调速系统设计内容：1.实现交流电动机调压调速系统2.实现交流电动机开环调速3.实现交流电动机的闭环调速设计要求：1.交流电动机开环调速（n≤1500rpm ）2.交流电动机闭环调速（n≤1000rpm ）3.用MATLAB 软件进行仿真设计题目3：基于矢量控制的PMSM 高性能伺服调速系统设计内容：空间电压矢量的宽调制技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。
而PMSM 矢量控制系统采用C 语言Q 格式编程技术使系统达到较高的性能指标，位置环30000个脉冲给定值（电机转3圈），调节时间为0.15s 。
设计要求：1.了解空间矢量脉宽调制原理。
2.了解永磁同步电机（PMSM ）。
3.掌握基于矢量控制的PMSM 高性能伺服调速系统的设计方法。
设计题目4：绕线式异步电动机串级调速系统设计设计内容：本设计主要内容是绕线式异步电动机的串级调速系统主电路和触发电路的设计。
其中主电路的设计包括可控整流电路、不可控整流电路和逆变变压器；触发电路主要包括KC 系列的移相触发电路和ULN2003。
考虑到系统运行时可能出现的问题，相应的设计了系统的保护电路。
设计要求：1.设计串级调速主电路；2.选择和设计串级调速触发电路；3.针对过电压、过电流产生的原因采取恰当的保护措施，设计合适保护电路。
设计题目5：无刷直流电机的数学建模与仿真设计内容：掌握无刷直流电机的工作原理，掌握无刷直流电机的数学建模方法设计要求：1.完成MA TLAB 中simulink 环境下无刷直流电机的双闭环控制系统的仿真设计题目6：转速、直流双闭环调速系统设计内容：主电路采用三相可控晶闸管整流电路，整流装置采用三相桥式电路，用PI 调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压进行调速，学会使用MA TLAB 软件的使用。
2-4-按工程设计方法设计双闭环系(新3版)1
4. 电流调节器的实现 • 模拟式电流调节器电路
图中 U*i —为电流给定电压；
–Id —为电流负反馈电压；
Uc —电力电子变换器的
控制电压。
图2-25 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
• 电流调节器电路参数的计算公式
比普通转速调节器
Rn
Cn
增加了电容Cdn和电阻Rn 在转速负反馈的基础上叠加
了一个转速微分负反馈信号
Un* R0/2
R0/2
Ui*
τ dn=RoCdn
转速微分时间常数
Todn=RdnCdn
转速微分滤波时间常数
Con
+
R0/2
R0/2
Con
Cdn
Rdn
-an
带转速微分负反馈的转速动态结构图
Uct
U n *( s )
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。由 图2-24a可知
KI
Wcli
(
s)
U
Id (s)
* i
(
s)
/
s(Tis 1) 1 KI
1
Ti s2 1 s 1
s(Tis 1) KI
KI
(2-65)
• 传递函数化简
忽略高次项，上式可降阶近似为
1
+
K nτ n S + 1
1/β
TonS+1
τ nS
2 T ?i S + 1
IdL(S)
R
n (s)
CeCmS
-
按工程设计方法设计双闭环系统的调节器(转速调节器和电流调节器)
Id=Idm n=n*
在ASR退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，其结构图如图2-26b。描述系统的微分方程和前面分析线性系统跟随性能时完全一样，只是初始条件不同了。
图2-26b
分析线性系统跟随性能时，初始条件为
3）小惯性环节近似处理
Ts和T0i一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为
T∑i=Ts+Toi（2-55）
简化的近似条件是什么？
（2-56）
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，由图2-23c可以看出，采用I型系统就够了。
转速超调量不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调。可以称作“退饱和超调”
3
有关“退饱和超调”的分析p84-85
退饱和超调量显然会小于线性系统的超调量，但究竞是多少，要分析饱和非线性的动态过程才能知道。
对于这一类非线性问题，可采用分段线性化的方法，按照饱和与退饱和两段，分别用线性系统的规律分析。
1确定时间常数
2选择转速调节器结构
3计算转速调节器参数
4检验近似条件
5计算调节器电阻和电容
6校核转速超调量
例2-3
解:
2.系统设计原则
系统设计的一般原则--“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。
Q1
电流调节器的设计
设计分为以下4个步骤：
1.电流环结构图的简化
转速电流双闭环直流调速系统和调节器工程设计方法
调节器结构的选择
选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。
输入
调节器
输出
控制对象
系统校正
输入
典型系统
输出
典型I型系统
R(s)
K
C(s)
s(Ts 1)
T — 系统的惯性时间常数； K — 系统的开环增益。
选择参数，保证 稳定。
c
1 T
或
cT 1，使系统足够
典型Ⅱ型系统
R(s)
K (s 1) C(s)
K 值成反比； 在加速度输入下稳态误差为 。
因此，I型系统不能用于具有加速度输入 的随动系统。
（2）动态跟随性能指标
参数关系KT
阻尼比 超调量
上升时间 tr 峰值时间 tp
相角稳定裕度 截止频率c
0.25 0.39
0.5
0.69
1.0
0.8 0.707
0.6
0 % 1.5% 4.3 % 9.5 %
反馈系数计算
转速反馈系数
U
* nm
nm ax
电流反馈系数
U
* im
I dm
二、数学模型和动态性能分析
-IdL
U*n
+-
Un
U*i
WASR(s)
-
Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
Id
+
R
n
Tms
1/Ce E
起动过程分析 n
n* I
II
III
按转速调节器ASR
不饱和、饱和、退
定义中频宽： h 2
T 1
电流调节器与转速调节器的设计
ω cn
4．最后校核一下要求的性能指标 电流环设计时， K ITΣi = 0.5 ，所以，σ i = 4.3% < 5% 。
***设计方法详细步骤参考《自动控制系统》第 91 页至 112 页***
28
wci = K I
= 0.5 T∑ i
上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率 wci 与T∑i 的关系满足小惯性环
节的近似条件
wci
<<
1 T∑
i
。
如果按典型 II 型系统设计电流环，则需要将控制对象中的大惯性环节 1 近似为 TL s + 1
积分环节
1 TL s
，当 TL
>
hT ∑i
时
=
0.6RTL K S βT∑i
h +1 wci = 2hT∑i
= 0.6 T∑ i
显然，按工程最佳参数 h=5 确定的 wci 和T∑i 的关系，也可以满足小惯性环节的近似
25
条件。
三、转速调节器的设计
1．电流环的等效传递函数 电流环是转速环的内环，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理，使电流成
-
U*i(S)
1
ToiS + 1
+
Uct(S)
Ud(S)
ARC
ks TsS + 1
1R T1S + 1
Id(S) （a）
βi ToiS + 1
U *i(S) βi
βi ToiS + 1
Uct(S) ARC
Id
ks R (Ts + 1)(T1S + 1)
Id(S) (b)
U *i(S) βi
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⏹实际上，突加给定电压后，转速调节器很快就进入饱和状态，输出恒定的限幅电压U im*，使电动机在恒流条件下起动，起动电流
I d I dm=U im*/，而转速则按线性规律增长，如图b所示。
⏹虽然这时的起动过程要比调节器没有限幅时慢得多，但是为了保证电流不超过允许值，这是必需的。
⏹计算“退饱和超调”的捷径
图2-26b
当ASR 选用PI 调节器时 图2-29a
dm d I I n n ==)0(,
)0(* 图2-29a a)以转速n 为输出量
只考虑转速偏差时
图2-29b b ）以转速超调值Dn 为输出量
⏹ 我们感兴趣的只是在稳态转速以上的超调部分,即只考虑实际转速
与给定的差值Dn ＝n-n*，相应的动态结构图变为图b ，
⏹ 初始条件的转化
dm d I I n ==∆)0(,0)0(
⏹图2-29b 整理符号图2-29c
⏹对照典II 系统抗扰性能分析用图（图2-17b ）
完全相同，可以借鉴表2-7典II 系统抗扰性能分析的结果，但注意基准值的选取。
计算“退饱和超调”
⏹在典型II 型系统抗扰性能指标中，C 的基准值
T FK C b 22= ⏹对比上图，退饱和转速超调Dn 的基准值
m e dL dm n b T C I I RT n )(2-=∆∑ 或 m
n N b T T n z n ∑∆-=∆)(2λ ⏹转速超调量sn%，其基准值应该是n*，经基准值换算后得。