转速单闭环调速系统设计说明

目录第1章概述 (1)1.1 转速单闭环调速系统设计意义 (1)1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 (1)第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2)2.1 原系统的工作原理 (2)2.2 原系统的动态结构图 (3)2.3 闭环系统的开环放大系数的判断 (3)2.4 相角稳定裕度γ的判断 (4)第3章调节器的设计及仿真 (5)3.1 调节器的选择 (5)3.2 PI调节器的设计 (5)3.3 校正后系统的动态结构图 (8)3.4 系统的仿真结构图及测试结果 (8)第4章课程设计总结 (9)参考文献 (10)转速单闭环调速系统设计1、概述1.1 转速单闭环调速系统设计意义为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。

对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器.反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。

对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。

要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。

1.2 转速单闭环调速系统的设计要求n=1500rpm,U N=220V,I N=17.5A,Ra=1.25Ω。

主回路总电阻电动机参数：P N=3KW,NR=2.5Ω，电磁时间常数T l=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。

三相桥式整流电路，Ks=40。

测速反馈系数α=0.07。

调速指标：D=30，S=10%。

设计要求：（1）闭环系统稳定（2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。

设计任务：（1）绘制原系统的动态结构图；（2）调节器设计；（3）绘制校正后系统的动态结构图；（4）撰写、打印设计说明书。

2、原系统的动态结构图及稳定性的分析2.1 原系统的工作原理简单闭环控制系统是指控制器与受控对象之间既有顺向作用又有一个反馈作用的控制系统，实际工程常是负反馈闭环控制。

工程领域的恒值控制系统通常是单闭环控制系统。

例如：水塔的水位控制系统；电源恒压调节系统；电冰箱的恒温调节系统；加热炉的炉温控制系统；测速反馈的单闭环控制系统等。

单闭环控制系统是最重要最基本的结构组成。

引入转速负反馈信号以后，放大器的输入信号是给定信号*n U 和反馈信号n U 之差，即n n n U U U -=∆*。

当电动机负载增加时，电枢电阻压降必然增大。

若是开环系统，电动机转速只能下降，但是在闭环系统中，转速稍有降落，反馈电压n U 随之下降，接着是↑↑→↓→↑→↑→∆n U U U d ct n α上述调节过程是当负载增加（或降低）时，相应地整流电压d U 就提高（或减小），从而补偿掉电动机电枢回路电阻电压的增量，维持电动机反电势E （或转速n ）几乎不变。

转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。

一，只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。

二，反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。

三，系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。

图2.1是用集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统。

图2.1转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图2.2 原系统的动态结构图转速负反馈闭环控制系统动态结构框图。

如图2.2：图2.2 转速负反馈闭环控制系统动态结构框图2.3 闭环系统的开环放大系数的判断电动机参数：P N =3KW, N n =1500rpm,U N =220V,I N =17.5A,Ra=1.25Ω。

主回路总电阻R=2.5Ω，电磁时间常数T l =0.017s,机电时间常数Tm=0.075s 。

三相桥式整流电路，Ks=40。

测速反馈系数α=0.07。

调速指标：D=30，S=10%。

三相桥式电路的失控时间Ts=0.00167s 。

系统稳定条件为：42.4900167.0017.000167.0)00167.0017.0(075.0)(22=⨯++⨯=++<S l S S l m T T T T T T K 而按照稳态性能指标要求，额定负载时闭环系统稳态速降应为：min 56.5min )1.01(301.01500)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆ 脉宽调速系统饿开环额定转速为：先计算电动机的电动势系数r V n R I U C N a N N e min 132.0150025.15.17220⋅=⨯-=-=min 44.331min 132.05.25.17r r C R I n e N op =⨯==∆ 为了保持稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数应满足6.58156.544.3311=-≥-∆∆=cl opn n K 显然，系统不能在满足稳态性能的条件下运行。

2.4 相角稳定裕度γ的判断未校正前的系统的开环传函为 )))(((10167.01026.01049.058.55)(+++=s s s s W 其Bode 图为图2.3所示图2.3 校正前的伯德图由图2.3可知相角稳定裕度γ和增益裕度GM 都是负值，所以原闭环系统不稳定。

3、调节器的选择及设计3.1 调节器的选择在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。

动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。

在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。

串联校正比较简单，也容易实现。

对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID 调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。

PID 调节器中有PD 、PI 和PID 三种类型。

由于PD 调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI 调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的，用PID 调节器实现的滞后和超前校正则有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。

一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI 调节器。

如图3.1所示。

图3.1比例积分（PI ）调节器线路图3.2 PI 调节器的设计已知系统为不稳定的。

设计PI 调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。

原始系统的开环传递函数)1)(1()(2+++=s T s T T T K s W m l m sL m m L s T T s T s T s T 4,075.0,017.0,00167.0 在这里，===，因此分母中的二次项)1(2++s T s T T m l m 可以分解为两个一次项之积，即22001275.01s s T s T T m l m ++++0.075s+1=(0.049+1)(0.026+1)闭环系统的开环放大系数取为58.551925.001158.04421=⨯⨯==e S P K K K α 于是，原始闭环系统的开环传递函数为)10167.0)(1026.0)(1049.0(58.55)(+++=s s s s W 三个转折频率为 1114.20049.011-===s sT ω 1225.38026.011-===s sT ω 133********.011-===s s T ω 由图2.3可见相位裕度和增益裕度都是负值，所以原始闭环系统不稳定。

为了是系统稳定设置PI 调节器，考虑到原始系统中包含了放大系数为P K 的比例调节器，现在换成PI 调节器，它在原始系统的基础上新添加的部分传递函数应为：sK s K s W K P pi pi P ττ1)(1+= 由于原始系统不稳定，表现为放大系数K 过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。

因此，把校正环节的转折频率τpi K 1设置在远低于原始系统截止频率cl W 处,令1T K pi =τ,使校正装置的比例微分项1+τpi K 与原始系统中时间常数最大惯性环节()111+T 对消,从而选定1T K pi =τ。

其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以dec dB 20-的斜率穿越dB 0线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的对数幅频和相频特性的截止频率221T W C <。

这样，在2C W 处，应有 dB L L L 0321=-=或根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了。

2122212212lg 20)(lg 20lg 40lg 20lg 20W W W W W W W W W W W K cl cl cl ==+= 因此，21W KW W cl =代入已知数据，得119.2085.384.2058.55--=⨯⨯=s s W cl取1T K pi =τ=0.049s,为了使221T W C <=15.38-s ,取1230-=s W c 在原始系统的对数幅频和相频特性查得相应得dB L dB L 5.31,5.3121-==因而。

从校正环节添加部分的对数特性看出PiP P Pi K K K K L lg 2011lg 202-=-=ττ 所以 58.37,5.31lg 20==piP pi P K K dB K K ，21=P K 因此 559.058.3721==pi K 而且 s s K T pi 088.0559.0049.01===τ 于是，PI 调节器的传递函数为 0.0491()0.088pi s W s s +=最后，选择PI 调节器的阻容参数。

已知,400KΩ=R 则KΩ=KΩ=KΩ⨯==22,36.2240559.0101R R K R pi 取F C F F R C μμμτ2.2,2.21040088.01301==⨯==3.3 校正后系统的动态结构图校正后系统的动态结构图如图3.2所示。

图3.2 校正后系统的动态结构图3.4 系统的仿真结构图系统的仿真结构图如图3.2所示。

图3.2 系统的仿真结构图100167.040+s 1075.0001275.058.72++s s 07.02.5(1017.0+s ))(s I dL)(s U n ∆ )(s U C)(0s U d )(s n s s 088.01049.0+)(*s U n4、课程设计总结本课程的课程设计是在学习完《电力拖动自动控制系统》课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,培养应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。