双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计

目录第一章. 绪论11.1 双闭环调速系统介绍错误!未定义书签。1.2 双闭环调速系统的实际动态结构框图11.3 设计原则21.4 工程设计方法2第二章. 电流调节器的设计22.1 确定时间常数22.2 选择电流调节器结构42.3 计算电流调节器的参数52.4校验近似条件52.5 计算调节器电阻和电容6第三章.转速调节器的设计73.1电流环的等效闭环传递函数73.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择83.3转速调节器的参数的计算113.4校验123.5 计算调节器电阻和电容123.6校核转速超调量13第四章. 转速调节器退饱和时转速超调量的计算13第五章.总结165.1遇到的问题165.2学习收获16双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计第一章1.1 双闭环调速系统介绍 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。 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。这是因为在单闭环系统中不能随心 所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能 在超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制 电流的动态波形。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm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， 采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。为了实现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，分别调 节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。1.2双闭环调速系统的实际动态结构框图on图1-1 双闭环调速系统的动态结构框图U * (s)1n、*T s +1双闭环调速系统的实际动态结构框图如图 1-1。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T按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而, oi 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T的给定滤 on on 波环节。1.3 设计原则本次课程设计为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。首先考虑应把电流环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，由于要求满足系统抗干扰性能好、转速无静差，并且系统结构决定将 转速环校正成典型II系统。1.4 工程设计方法 大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。将实际系统校正或简化 成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。调节器的设计一般分为两步：1. 选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。2. 设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 这样做，就把稳、准、快和抗干扰之间相互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. 电流调节器的设计2.1 确定时间常数在图2-1点划线框的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工 作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情 况下，系统的电磁时间常数T远小于机电时间常数T，因此，转速的变化往往比电流变 lm 化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可 以认为反电动势基本不变，即AE0，这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考 虑反电动势变化的动态影响，得到的电流环的近似结构框图如图2-1。ACRU (s).KU (s)d 0kcTs +1s1/RTs +1图2-1 忽略反电动势的动态影响如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*（s）/0，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-2。i1）整流装置滞后时间常数Ts.。按表2-1,三相桥式电路的平均失控时间T = 0.0017s。s表2-1 各种整流电路的失控时间整流电路形式最大失控时间T/ mss max平均失控时间T /ms单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.672）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波 头，应有（12） Toi=3.3ms,因此取T =2ms=0.002s，oi3）电流环小时间常数之和丫“。按小时间常数近似处理，取T = T + T =0.0037s。工 is oi则电流环结构框图最终简化成图2-3。图2-3 小惯性环节近似处理2.2 选择电流调节器结构图2-3表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型I型系统, 型的调节器，其传递函数可以写成W(s)二ACRK (T s + 1)i iTs式中 KiTi电流调节器的比例系数电流调节器的超前时间常数i为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择il则电流环的动态结构框图便成为图2-4所以的典型形式，其中KK Pis -T Ri12T显然应采用PI（2-1）（2-2）（2-3）iP心.KIIJ(s)s(T s +1)dy.iU * (s)图2-4校正成典型I型系统电流环动态结构框图图2-5绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性.图2-5校正成典型I型系统电流环开环对数幅频特性2.3 计算电流调节器的参数表2-2典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比g1.00.80.7070. 60. 5超调里c0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tg6.6 T4.7 T3.3 T2.4 T/峰值时间tpg8.3 T6.2 T4.7 T3.6 T相角稳定裕度Y76.3。69.9。65.5。59.2。51.8。截止频率Oc0.243/ T0.367/T0.455/ T0.596/T0.786/T由式2-1可以看出，电流调节器的参数是K和其中t （电流调节器超前时间常数） i i i=Tl=0.031,待定的只有比例系数K，可根据所需的动态性能指标选取。设计要求电流超 i调量 c Oci3）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，已知T =0.112s:10.112 x 0.031m=50.19 wci丄=1 x ：13 TT 30.0017x0.002满足近似条件。 s oi2.5计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图2-6,图中U *为电流给定i电压，-01为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压U。dc 根据运算放大器的电路原理，且已知R = 40k0，可以容易地导出：0RK 二 fR = KR = 0.8886 x 40 二 35.544K0，取35 kQi R i i 0 0t = RCC =N = = 8.857 x 10-7 F = 0.8857uF，取0.886 uFi i ii R R35 x103ii1 T 0.02T = RCC = 4 x o = 4 x= 2 x10-6 F = 2uF，取2 uFoi 4 0 oioi R40 x1030图2-6含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数： R =35 KQ ， C =0.886uF ， C =2uF ，电流环可以达到的动态跟随 iioi性能指标为b = 4.3% o0.0037cn满足简化要求。2）转速环小时间常数近似处理条件K1I = xT3on= 27.39s-1 0.02 cn满足近似条件。3.5 计算调节器电阻和电容图3-7含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器根据图3-7，已知RO二4Ok0，则K 二 RnRO二 K R 二 10.39 x 40 二 415.6KQ，取 R =415 KGn OnT = 1R Con 4 O onCon二和二二 3.301 x 10-7 F 二 0.3301uF，取 C =0.33 uFR415 x 103nn4T4x 0.02=on = 2 x 10-6 F = 2uF，取 C =2 uFR40 X103on0h3456r mm_|7891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%t / Tr2.402.652.853.03.13.23.33.35t / Ts12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k322111113.6 校核转速超调量表3-1典型II系统阶跃输入跟随性能指标（按M .准则确定参数关系）当h = 5时，由表3-1，37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-1是按线性 系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱 和的情况重新计算超调量。第四章转速调节器退饱和时转速超调量的计算计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法来处理。当ASR饱和时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电压 U* ，如果忽略电流环短暂的跟随过程im量也基本上是恒定值 I ，因而电动机基本上按恒加速度起动，其加速度为dmdnR沁(I 一 I )dt dm dL C Tem这个加速过程一直延续到t时刻n二n*时为止。取式(4-1)的积分，得2C T n *t 沁em2(I -1 ) RdLU* = 01 ，贝yim dm其输出4-1)4-2)考虑到K二(人+1)卩聖n2 h aRTXndm和 U* = a n*,n4-3)2ht -()2 h +1 U * BI Xnim dL描述系统ASR 退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，系统的结构框图见图4-1。 的微分方程和前面分析线性系统的跟随性能时相同，只是初始条件不同了。分析线性系 统跟随性时，初始条件为n(0) =0， I (0) =0 d 讨论退饱和超调时，饱和阶段的终了状态就是退饱和阶段的初始状态，只是把时间坐标 零点从t = 0移到t = t2时刻即可。因此，退饱和的初始条件是n(0) = n* ， I (0) = Iddm由于初始条件发生了变化，尽管两种情况的动态结构框图和微分方程完全一样，过渡过程还是不同的。因此，退饱和超调量并不等于典型II系统跟随性能指标中的超调量。当ASR选用PI调节器时，图4-3所示的调速系统结构框图可以绘成图4-1。由于感兴趣 的是在稳态转速n*以上的超调部分，即只考虑 An = n-n*，可以把初始条件转化为n(0) = n* ， I (0) = I 。 ddm由于图4-2的给定信号为零，可以不画，而把An的反馈作用反馈到主通道第一个环 节的输出量上，得到图4-3。为了保持图4-3和图4-2各量间的加减关系不变，图4-3中 的 I 和 I 的+、-号相应的变化。d dL图4-2调速系统的等效动态结构框图以转速超调值An为输出量aK (t s +1)-Id(s)nn卩t s (T s +1)nSn+CT se mAn(s)-图 4-3 调速系统的等效动态结构框图图 4-2 的等效变化可以把退饱和超调看作是在I二I的负载下以n = n*稳定运行，在t二/时刻负载由 d dm2I 减小到I，转速产生一个动态速升与恢复的过程。可利用表4-1给出的典型II系统 dmdL抗扰性能指标来计算退饱和超调量，只要注意An的基准值即可。表4-1典型II系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910AC / Cmaxb72.2%77. 5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%t / Tm2.452.702.853.003.153.253.303.40t / Tv13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型II系统抗扰性能指标中，AC的基准值的为C 二 2 FK Tb2 R可知 K =，T 二 T，F 二 I -12 C Tem所以 An 的基准应是2RT (I - I )An Sn dmdLbC Tem4-4)(4-5)I zI ， A n 为调速 dLdNN令九表示电机允许的过载倍数，即I -九I ，z表示负载系数, dm dN系统开环机械的额定稳态速降，An二 空，代入(4-5),可得N Ce竺二 2( z 化务(4-6)m作为转速的超调量C，其基准值应该是n *，因此退饱和超调量可以由表4-1列出的 nAC/ C 数据经基准值换算后求得，即max bACAnACAn TCT = ( max ) b = 2(max )(九 Z) N Sn( 4-7)n C n*Cn* Tbbm设理想空载起动时z = 0，已知电机允许的过载倍数九=1.5，R=0.14Q，I二760A， dNn = 375r /min， C = 1.82V min/ r， T = 0.112s， Tv = 0.0274s。当 h = 5，由表4-2查Nem山得 AC / C =81.2%,max b表4-2典型II系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910AC / C72.2%77. 5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%t /Tm2.452.702.853.003.153.253.303.40t / Tv13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85将数据代入式(4-7)，可得760 x 0.141 820 0274T = 2 x 81.2% x1.5 x x= 9.29%n3750.112能满足超调量T 10%的要求。第五章总结n5.1遇到的主要问题1) 各环节的节机构图化简由于采用双闭环调速系统，系统的动态结构图较长，电流调节器和转速调节器的参 数不容易确定。为了便于计算，在参数确定过程中，先内环后外环，即首先设计电流调 节器，然后把整个电流环节作为转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。在设计电 流调节器和转速调节器的过程中，根据题目要求，将电流环矫正成型系统，将转速换矫 正成典型I型系统。在系统设计中中，将系统中的一组小惯性环节，近似的看成一个小 惯性环节，从而大大简化了计算。2) 相关参数的选取在电流调节器的参数计算过程中，待定参数只有Ki,通过查表和简单计算就可以求得 Ki。但是，在转速调节器参数的确定中，待确定的参数有K和t。在工程设计中，如果 两个参数都任意选择，工作量是很大的，通过采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰 值Mr最小准则，可以找到h和c两个参数之间的一种最佳配合。进而求得所求参数。 5.2学习收获通过本次设计使我理解了典型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，贝y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。在本次课程设计过程中，我对双闭环调速系统的结构有了进一步的的理解，掌握了 电流调节器以及转速调节器结构选择和参数确定的设计方法与步骤，对所学的知识有了 更深刻的理解。同时也意识到，理论和实践是有一定的差距的。“纸上得来终觉浅，绝知 此事要躬行”在课程设计的过程中，通过发现问题，查阅资料，设计方案，检验论证， 锻炼了自己自主学习和解决问题的能力。七参考书目：1. 电力拖动自动控制系统（第 3 版）2. 电力电子技术（第 4 版）3. 自动控制理论4. 电机及拖动基础（第 3 版）陈伯时主编 机械工业出版社 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社 刘丁主编 机械工业出版社 顾绳谷主编 机械工业出版社