自动控制系统课程设计

2
课程设计的主要内
容………………………………………………………… 1
2.1
系统的组
成…………………………………………………………………… 1
2.2
系统的工作原
理……………………………………………………………… 2
2.3 系统的静特性分
析…………………………………………………………… 2
2.4
系统的动态过程分
图9(a) 电流环的仿真结果
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图9(b) 无超调的仿真结果
图9(c) 超调量较大的仿真结果
2.8 转速环的仿真 转速环的仿真模型如图12所示。
图10 转速环的仿真模型
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双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10。ASR调节器经过了不饱 和、饱和、退饱和三个阶段，最终稳定运行于给定转速。图 11（a）的PI参数是根据上述转速环设计的结果设定的，参数关系 是KT=0.5。在此基础上，利用图10的仿真模型，可以观察PI参数对 跟随性能指标的影响趋势，找到符合工程要求的更合适的参数。以 KT=0.25的关系式按典型Ⅰ系统的设计方法得到了PI调节器的传递 函数为1.25+，很快地得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图 11(b)所示；以 KT=1.0的关系式得到了PI调节器的传递函数为5+，同样得到了电流 环的阶跃响应的仿真结果如图11(c)所示；KT=2.0的关系式得到了 PI调节器的传递函 数为10+，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图11(d)。
析………………………………………………………… 3
2.5
电流调节器的设
计…………………………………………………………… 4
2.6
转速调节器的设
计…………………………………………………………… 7
2.7
电流环的仿
真………………………………………………………………… 9
2.8
转速环的仿
真………………………………………………………………… 11
图1 双闭环直流调速系统
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2.2 系统的工作原理
如图2所示，图中标出了两个调节器输入输出的电压的实际极
性，他们是按照电力电子变换器的控制电压U为正电压的情况标出
的，并考虑到运算放大器的倒相作用。为了获得良好的静、动态性
能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
在启动过程中由于外环很快达到饱和，只有电流负反馈起作
入时间常数为T的给定滤波环节。
图5 双闭环直流调速系统的动态结构图
2.5 电流调节器的设计 整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： 直流电动机：220V，136A，1000r/min，=0.192V·min/r，允许过载倍 数=1.5； 晶闸管装置放大系数：K=44；
电枢回路总电阻：R=1；
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（2）选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： W（S）=
（3）计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常
数为 =5*0.01734=0.0867s
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转速环开环增益为
K==s≈399.1 s
ASR的比例系数为
2.9
过电流保
护…………………………………………………………………… 16
3 设计结果分
析…………………………………………………………………… 17
3.1 电压变化和负载变化引起的扰动情
况……………………………………… 17
3.2 转速、电流双闭环直流调速系统存在的缺点及解决方
案………………… 18
用，此时相当于在最大允许起动转矩的情况下进行恒流起动，系统
能获得最大的加速度，且电流和转速负反馈分别加到两个调节器的
输入端，到达稳态转速后，转速环起作用，系统进行转速调节，使
转速稳定，此时电流环只起跟随作用，这样就可以实现准时间最优
控制，使系统能够获得良好的静、动态性能。
图2 双闭环直流调速系统电路原理图
采用PI调节器，在实际运行中可能处于不饱和、饱和两种状态。其
次，双闭环调速系统包含可电流、转速两个控制回路，所以系统不能 简单地用线性控制理论分析[2]。
用工程设计的方法来设计转速、电流双闭环直流调速系统的两个
调节器，应按照设计多环控制系统“先内环后外环”的一般原则。从
内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节
图4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
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双闭环直流调速系统由直流电动机环节、功率驱动环节、电流转
速控制环节共同构成，通过推导可以得到双闭环直流调速系统的动态
结构图如图5所示。双闭环直流调速系统为了实现转速和电流两种负反
馈的作用，分别设置了转速调节器和电流调节器。两个调节器一般都
K==≈2.5
（4）检验近似条件
转速环截止频率为
=K=399.1*0.0867s≈34.6 s
电流环传递函数简化条件
= s≈64.2 s＞ 满足简化条件
转速环小时间常数近似处理条件
= s≈38.9 s＞ 满足近似条件
（5）计算调节器电阻和电容
转速调节器原理图如图7所示，取R=40k，则
2.5*40k=100k 取100k
2.3 系统的静特性分析 双闭环直流调速系统的稳态结构如图3所示，两个调节器均采
用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U决定了 电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压U限制了电力电 子变换器的最大输出电压U[1]。
分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两 种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。当 调节器饱和时，输出达到限
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时间常数：T=0.0167s，T=0.075s； 电流反馈系数：=0.05V/A（≈10V/1.5I）。 设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量≤5%。 （1）确定时间常数
整流装置滞后时间常数T=0.00167s。 电流滤波时间常数T。三项桥式电路每个波头的时间是3.3ms， 为了基本滤平波头，应有（1～2）T=3.33ms，因此取 T=2ms=0.002s。 电流环小时间常数之和T= T+ T=0.00367。 （2）选择电流调节器结构 根据设计要求≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统 设计电流调节器。电流环控制对象是双惯型的，因此可用PI型电流 调节器，其传递函数为：
2.4 系统的动态过程分析 双闭环直流调速系统突加给定电压U由静止状态起动
时，转速和电流的动态起动过程如图4所示。由于在启 动过程中，转速调节器ASR历经了不饱和、饱和、退饱 和三种情况，整个动态过程就分为图中标明的Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ三个阶段。第Ⅰ阶段是电流上升阶段。第Ⅱ阶段是恒 流升速阶段。第Ⅲ阶段是转速调节阶段。
=0.01V·min/r，要求转速无静差，空载起动到额定转速时转速超 调量≤10%。 （1）确定时间常数
电流环等效时间常数。由电流调节器的设计，已取=0.5，则 =2T=2*0.00367s=0.00734
转速滤波时间常数T。根据所用测速发电机的波纹情况，取 T=0.01s。
转速小时间常数T。按小时间常数近似处理，取 T=+ T=0.00734+0.01=0.01734
2.7 电流环的仿真 电流环的仿真模型如图8所示，其中晶闸管整流装置输出电流可
逆。
图8Hale Waihona Puke Baidu电流环的仿真模型
图9（a）的PI参数是根据上述电流环设计的结果设定的，参数关 系是KT=0.5。在此基础上，利用图8的仿真模型，可以观察PI参数对跟 随性能指标的影响趋势，找到符合工程要求的更合适的参数。以 KT=0.25的关系式按典型Ⅰ系统的设计方 法得到了PI调节器的传递函数为0.517+，很快地得到了电流环的阶跃 响应
器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速
调节器。双闭环直流调速系统的动态结构图如图5所示，图中增加了滤
波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。有测
速发电机得到的转速反馈电压含有换向文波，因此也需要滤波，滤波
时间常数用T表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加
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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。换句话说，饱和的调节器暂时
隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。
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△U在稳态时为零。
图3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 ——转速反馈系数 ——电流反馈系数
W（s）= 检查对电源电压的抗扰性能：≈≈4.55，各项指标都是可以接 受的。 （3）计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：=0.0167s。 电流环开环增益：要求≤5%时，应取=0.5，因此
K==s≈136.2 s 于是，ACR的比例系数为
=≈1.034
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C==F≈0.867F 取1F
C==≈1F 取1F
（6）校核转速超调量
当h=5时，=37.6%，不能满足设计要求。按ASR退保和的情况重
新计算超调量。
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（7）退饱和时转速超调量的计算 =2（）（）=2*81.2%*1.5*≈8.98%＜10% 满足设计要求
图7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
（4）校验近似条件 电流环截止频率：=136.2 s 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 = s≈199.6＞ 满足近似条件 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 3=3* s≈84.8＜ 满足近似条件 校验电流环小时间常数近似处理条件 =* s≈182.4 s＞ 满足近似条件
（5）计算调节器电阻和电容 电流调节器原理图如图所示，按运算放大器取R=40k，各电阻
3.3 电流调节器和转速调节器的作
用…………………………………………… 19
3.4
采用转速电流双闭环直流调速系统的理
由…………………………… 19
4 设计心得体
会…………………………………………………………………… 21
参考文
献……………………………………………………………………………
22
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2 课程设计的主要内容
2.1 系统的组成 如图1所示，为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在
系统中设置两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器 （ACR），二者之间实行嵌套（或称串级）连接，且都带有输出限 幅电路。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调 节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环 在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、 电流反馈控制直流调速系统[1]。图中ASR为转速调节器，ACR为电流 调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子变换 器，为转速给定电压，为转速反馈电压，为电流给定电压，为电流 反馈电压。
和电容值计算如下： 1.034*40k=41.36 k 取40 k C=0.41F 取0.4F C=0.2F 取0.2F
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 =4.3%≤5% 满足设计要求
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图6 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器
2.6 转速调节器的设计 除电流调节器的设计中已给出数据外，已知：转速反馈系数
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的仿真结果如图9(b)所示，无超调，但上升时间长；以KT=1.0的关 系式得到PI调节器的传递函数为2.068+，同样得到了电流环的阶跃 响应的仿真结果如图9(c)所示，超调大，但上升时间短。
KT=0.5时的超调量==4.2% KT=0.25时的超调量==0% KT=1.0时的超调量==23.4% 图9（a）、(b)分别给定KT=0.5和KT=0.25时的阶跃响应曲线， 可以看出，给定量不同时，对应超调量过渡过程时间不相同。给定 KT=0.25时，过渡过程时间约为0.2s，超调量为0；而当给定KT=0.5 时，过渡过程时间约为0.4s，超调量约为4.2%。可见随着KT的增 大，过渡过程时间和超调量都变大。KT过大时，系统的动态性能满 足不了使用要求的需要。
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1 课程设计的目的
《自动控制系统课程设计》是学习理论课程之后的实践教学环 节。目的是使学生巩固和加深课程的理论知识，结合实际，融会贯 通。进一步培养学生独立分析和解决实际工程技术问题的能力。充 分发掘自身的潜力，开拓思路设计双闭环 直流调速系统。并掌握 其系统的组成、工作原理、调节器的设计及Simulink仿真等内容， 同时在计算、绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为今后的 学习工作奠定基础。
课程设计任务书
专业
班级
设计起止日期
设计题目：
设计任务（主要技术参数）：
姓名
指导教师评语：
成绩： 签字： 年月日
双闭环直流调速系统的设计
2011.12.24
班 级：08t自动化1 学 号：T0856120 姓 名：周瑜 指导教师：李雪飞 设计时间：2011.12.20-
目录
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课程设计的目
的……………………………………………………………… 1