《双闭环调速系统ASR和ACR结构及全参数设计》

黑龙江大学课程设计说明书
学院：机电工程学院
专业：电气工程及其自动化
课程名称：电力拖动自动控制系统
设计题目：双闭环调速系统ASR和ACR
结构及参数设计(5)
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计
一．设计目的：
掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器，加深对双闭环直流调速系统理解。

二．设计内容：
在一个由三相桥式晶闸管整流装置供电的双闭环直流调速系统中，已知电动机数据如下：555kW，750V，760A，375r/min，C e= 1.82V·min/r, 主回路总电阻R=0.14Ω, 允许过载电流倍数为 1.5，Ks = 75，
T
l =0.031s,T m=0.112s,电流反馈滤波时间常数T oi=0.002s, 转速反馈滤波时间常数T on=0.02s, 两个调节器的输入和输出最大值都是10V，R0=40kΩ。

设计要求：稳态无静差；电流超调量σi ≤ 5%，电机空载起动到额定转速时的转速超调量σn ≤ 10%。

三．时间安排：
6.3—6.4 查阅相关资料；
6.4—6.6 按要求设计相关内容，完成设计文本
6.7 考核答辩
四．参考书目：
1.《电力拖动自动控制系统》（第3版）陈伯时主编机械工业出版社
2.《电力电子技术》（第4版）王兆安黄俊主编机械工业出版社
3.《自动控制理论》刘丁主编机械工业出版社
4.《电机及拖动基础》（第3版）顾绳谷主编机械工业出版社
目录
第一章．设计原则、思路及工程设计方法的基本思路 (4)
1.1 设计原则、思路 (4)
1.2 工程设计方法的基本思路 (4)
第二章．双闭环直流调速系统的工作原理 (4)
2.1 双闭环直流调速系统的介绍 (4)
2.2 双闭环直流调速系统的组成 (5)
2.3双闭环调速系统的实际动态结构框图 (6)
第三章．电流调节器的设计 (7)
3.1时间常数的确
定 (7)
3.2电流调节器结
构 (7)
3.3电流调节器的参数计
算 (7)
3.4校
验 (7)
第四章．转速调节器的设计 (9)
4.1确定时间常数 (9)
4.2选择转速调结构 (9)
4.3检验近似条件 (10)
4.4调节器电阻和电路选择和设计 (10)
4.5转速超调量校正 (10)
第五章．结论及心得体会 (10)
第六章．参考书目 (11)
第一章设计原则、思路及工程设计方法的基本思路
1.1设计原则、思路
本文应用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。

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器，然后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。

采用工程设计方法设计调节器时，应该首先根据控制系统的要求，确定要校正成哪一类典型系统。

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，所以采用Ⅰ型系统就够了。

再从动态上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。

因而电流环应以跟随性能为主，即应选择典型Ⅰ型系统。

对于转速环，为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。

由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应设计成典型Ⅱ型系统。

这样的系统能满足系统抗干扰性能好、转速无静差的要求。

1.2工程设计方法的基本思路
作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。

简化的基本思路是，把调节器的设计过程分作两步：
第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。

第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

这样做，就把稳、准、快和抗干扰之间互相交叉的矛盾分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其他动态性能指标。

第二章双闭环直流调速系统的工作原理
2.1 双闭环直流调速系统的介绍
双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

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调节器的单闭环调速系统可以在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。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流
I值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很
dcr
理想的控制电流的动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1（a ）所示。

当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程
图2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形
在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形如图2-1（b ）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值
的恒流过程，按照反馈控制
规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

2.2 双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR 和ACR 一般都采用PI 调节器。

因为PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI
调节器便能保证系统
dm
I
获得良好的静态和动态性能。

图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统
图中U*
n 、U
n
—转速给定电压和转速反馈电压；U*
i
、U
i
—电流给定电压和电流
反馈电压；ASR—转速调节器； ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；UPE—电力电子变换器
2.3双闭环调速系统的实际动态结构框图
图2-3 双闭环调速系统的动态结构框图
双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-3。

由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。

这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数
oi
T按需要选定，以滤平电流检测信号为准。

然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

其意义是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使得二者在时间上恰好的配合。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时
间常数用on T 表示。

根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数on T 的给定滤波环节。

第三章 电流调节器设计
3.1时间常数的确定
1）失控时间：Ts=0.0017s 2)电流滤波时间：Toi=0.002s
3)电流环小时间常数之和：T ∑i = T s + T oi
=0.0037
3.2电流调节器结构
σi < 5%，无静差，所以选择典型的一型系统 电源电压的抗扰性能：T l / T ∑i =0.03/0.0037=8.11,由典型一型系统动态扰动性能，各项指标都可以接受。

3.3电流调节器的参数计算 电流调节器超前时间常数：
τi =τl =0.03
电流环开环增益：
σi ≤5%，K I T ∑i =0.5 则K i =135.1s -1
β=10v/1.5I N =10/1.5*780=0.0085
ACR 比例系数为：
K i =0.636
3.4校验
3.4.1校验近似条件 电流环截止频率：
=K I =135.1S -1
(1)晶闸管整流装置传递函数近似条件：
1/3T S =1/3*0.0017=196.1S -1>ωCI
满足条件
（2）忽略反动势变化对电流环动态影响条件：
满足条件
（3）电流环小时间常数近似处理条件：
)
(22i s i s i ∑∑==T T K R
T K R T K l l ββi
ci I 21∑==T K ω
=180.8 S-1>ω
CI 满足近似条件
3.4.2计算调节器电阻和电容
取R
=40kΩ
R
i
=K
i
R
=0.636*40=25.44 Kω取25 kΩ
C
i
=τi/R i=0.03/25000=1.2*10-6F
C
0i
=4T
0i
/R
=4*0.002/40000=0.2*10-6F
由表可知，σ
i
=4.3%<5%
典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系
oi
s
ci
1
3
1
T
T
≤
ω
第四章 转速调节器设计
4.1确定时间常数
（1）电流环等效时间常数
i 21
∑=T KI =2*0.0037s=0.0074s （2）转速环小时间常数 n ∑T =on 1
T KI
+=0.0074+0.02=0.0274s
4.2选择转速调结构
根据设计要求n σ≤10% 选用PI 调节器
)(s W ASR =
S
S W n n n 1ττ）（+
按照跟随系统和抗扰性能都较好的原则取 n=5 则 ASR 的超前时间常数
n T =n*n ∑T =5*0.0274=0.137s
转速开环增量
n k =
2n 2
T 2n 1n +=2
^0274.0*2^5*215+=159.84s 2
s - ASR 的比例系数
n k =n RT n CeTm ∑+αβ2)1n （=0274
.0*1.0*03.0*5*2084.0*92.1*00855.0*6=10.07
4.3检验近似条件
转速环截止频率 11
cn 9.21137.0*84.159-====
s k k W n n n
τω
（1）电流环传递函数简化条件
i 2k 31∑T =
cn W >=-1s 7.630037
.01
.13531 满足简化条件
（2）转速环小时间常数近似处理条件
on T 2k 31=
cn W >=-1s 10.2702
.01
.13531 满足近似条件
4.4调节器电阻和电路选择和设计 取Ω=K R 400
Ω===K R k R n 8.40240*07.100n 取410Ωk
F R C n
n
μτ33.041000013
.0n ==
=
取0.4F μ
F R T C on μ240000
02
.0*440on ===
4.5转速超调量校正
m
n
N b n T T
n n C C ∑∆Z -∆=*max )(2
λσ=2*81.2%*1.5*
92
.11
.0*780/375*
%100*084
.00274
.0=8.6%<10% 满足设计要求
当n=5,得n σ=37.6%不能满足设计要求
将数据是按接线性系统计算的，而施加阶跃给定时ASR 饱和，不符合线性度的前提，应按ASR 退保和电流计算超调量 查表得
b
max
C C ∆=81.2% λ=1.5 第五章 结论及心得体会
双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。

按照ASR 在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。

从起动时间上看，II 阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。

带PI 调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必然超调。

在双闭环调速系统中，ASR 的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。

ACR 的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。

通过本次设计理解了典型Ⅰ型系统和典型Ⅱ系统的两个动态性能指标，跟随性能指标和抗扰性能指标，与系统参数的关系。

典型Ⅰ型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但抗扰性能稍差；典型Ⅱ系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

根据这一依据，实际控制系统对于各种动态指标的要求各不相同选用的系统类型也不同。

如调速系统的动态特性以抗扰性能为主，则应首先典型Ⅱ系统；而随动系统的动态性能指标以跟随性能为主，可按典型Ⅰ型系统设计。

这次课程设计我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理，对双闭环调速系统的结构有一定的理解，掌握了电流调节器和转速调节器结构和参数的设计方法与步骤，所学的知识得到了进一步的巩固。

实用标准文档
第六章参考书目
1.《电力拖动自动控制系统》（第3版）陈伯时主编机械工业出版社
2.《电力电子技术》（第4版）王兆安黄俊主编机械工业出版社
3.《自动控制理论》刘丁主编机械工业出版社
4.《电机及拖动基础》（第3版）顾绳谷主编机械工业出版社
文案大全。