直流电动机转速电流双闭环控制系统设计实用教案

会计学1直流电动机直流电动机(dngj)转速电流双闭环控制转速电流双闭环控制系统设计系统设计第一页，共36页。1 1 直流电动机转速直流电动机转速/ /电流双闭环控制系统电流双闭环控制系统(xt(xtng)ng)设计设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的(md) 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计方法的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论第1页/共36页第二页，共36页。1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计自自70年代以来，国内外在电气传动领域里，大量地采用了年代以来，国内外在电气传动领域里，大量地采用了“晶闸管整流电动机调速晶闸管整流电动机调速”技术（简称技术（简称V-M调速系统）。尽管当今功率调速系统）。尽管当今功率(gngl)半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是占有相当比重的。系统的应用还是占有相当比重的。 automatic current regulator (ACR) 自动电流调节器自动电流调节器 automatic speed regulator (ASR)自动速度自动速度(sd)调节器调节器.实际上就是调速器实际上就是调速器 第2页/共36页第三页，共36页。1 直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计建模根据额定励磁下他励直流电动机的等效电路，根据额定励磁下他励直流电动机的等效电路，可以可以(ky)写出回路中电压和转矩平衡的微分写出回路中电压和转矩平衡的微分方程方程 第3页/共36页第四页，共36页。第4页/共36页第五页，共36页。电动机的数学模型电动机的数学模型通过对上面两式进行拉氏变换通过对上面两式进行拉氏变换(binhun)后，可以得到电动机的数学模型（动态传递函数形式）后，可以得到电动机的数学模型（动态传递函数形式） 其中(qzhng) lLTR为电枢回路电磁为电枢回路电磁(dinc)时间常数时间常数 2375memGD RTC C为电机系统机电时间常数为电机系统机电时间常数 第5页/共36页第六页，共36页。1 1 直流电动机转速直流电动机转速/ /电流双闭环控制系统电流双闭环控制系统(xt(xtng)ng)设计设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计(shj) 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计的工程设计(shj)方法方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论第6页/共36页第七页，共36页。1 直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计晶闸管触发与整流晶闸管触发与整流(zhngli)装置可以看成是一个具有纯装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。考虑到失控时间很小，忽略其高次项，则其传递函数可近的。考虑到失控时间很小，忽略其高次项，则其传递函数可近似成一阶惯性环节，如下式所示似成一阶惯性环节，如下式所示0( )( )1dsctsUsKUsT s第7页/共36页第八页，共36页。直流电动机转速直流电动机转速/ /电流电流(dinli)(dinli)双闭环控制系统设计双闭环控制系统设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计(shj) 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计的工程设计(shj)方法方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论第8页/共36页第九页，共36页。1 1 直流电动机转速直流电动机转速(zhun s)/(zhun s)/电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计 比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应通常都可比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应通常都可以认为以认为(rnwi)是瞬时的，但是在电流和转速的检测信号中是瞬时的，但是在电流和转速的检测信号中常含有交流分量（噪声），故在反馈通道和给定信号前均加常含有交流分量（噪声），故在反馈通道和给定信号前均加入滤波环节。入滤波环节。 第9页/共36页第十页，共36页。直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分(jfn)调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论第10页/共36页第十一页，共36页。1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计1.启动启动(qdng)的快速性问题的快速性问题 借助于借助于PI调节器的饱和非线性特性，使得系统在调节器的饱和非线性特性，使得系统在电动机允许电动机允许(ynx)的过载能力下尽可能地快速启的过载能力下尽可能地快速启动。动。 图4-5 理想电动机起动特性第11页/共36页第十二页，共36页。1 直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计2.提高提高(t go)系统抗扰性能系统抗扰性能 通过调节器的适当设计可使系统通过调节器的适当设计可使系统“转速环转速环”对于电网电压及负载转矩的波动或突变等扰动对于电网电压及负载转矩的波动或突变等扰动(rodng)予以控制（迅速抑制），在最大速降、恢复时间等指标上达到最佳。予以控制（迅速抑制），在最大速降、恢复时间等指标上达到最佳。图图 双闭环控制直流调速系统负载扰动特性双闭环控制直流调速系统负载扰动特性第12页/共36页第十三页，共36页。1 直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验 3.1 起动(q dn)特性 3.2 抗扰性能 四、结论第13页/共36页第十四页，共36页。1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统(xtng)设计在图在图4-7中给出了控制系统的中给出了控制系统的PI控制规律动态控制规律动态(dngti)过程，从中我们可知：过程，从中我们可知： (a) (b)图图4-7 比例积分调节器结构比例积分调节器结构(jigu)及其输入输出动态过程及其输入输出动态过程第14页/共36页第十五页，共36页。1 直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计1只要偏差只要偏差(pinch)U存在，调节器的输出控存在，调节器的输出控制电压制电压Uc就会不断地无限制地增加。因此，必须在就会不断地无限制地增加。因此，必须在PI调节器输出端加限幅装置。调节器输出端加限幅装置。2当当U =0时，时，Uc=常数。若要使常数。若要使Uc下降，必须下降，必须使使U 0。因此，在直流调速控制系统中，若要使。因此，在直流调速控制系统中，若要使ASR退出饱状态（进入线形控制状态），就一定要退出饱状态（进入线形控制状态），就一定要产生超调现象。产生超调现象。3对于前向通道带有惯性环节的控制系统，若控对于前向通道带有惯性环节的控制系统，若控制器存在制器存在“积分作用积分作用”，则在给定作用下，系统输出，则在给定作用下，系统输出一定会出现超调。一定会出现超调。第15页/共36页第十六页，共36页。1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统(xtng)设计一、系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题(wnt) 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论第16页/共36页第十七页，共36页。1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计对于直流电动机调速控制对于直流电动机调速控制(kngzh)系统，通常调节系统，通常调节器均按器均按PI形式设计，将对象设计成典型系统。形式设计，将对象设计成典型系统。电流环调节器的设计电流环调节器的设计: 在稳态上希望电流控制在稳态上希望电流控制(kngzh)无静差，以得到理想的堵转特性，而且要无静差，以得到理想的堵转特性，而且要求电流的跟随性能要好求电流的跟随性能要好.因此，把电流环设计校正成因此，把电流环设计校正成典型典型I型系统。型系统。1电流电流(dinli)调节器：调节器：1( )iACRiisWsKs取取:ilT12IiKTisoiTTTisIiK KKR 第17页/共36页第十八页，共36页。4.1 4.1 直流电动机转速直流电动机转速/ /电流电流(dinli)(dinli)双闭环控制系统设计双闭环控制系统设计 2转速转速(zhun s)调节器：调节器：1( )nASRnnsWsKs取取:5nnT 2nionTTT(1)2emnnhC TKh RT转速环调节器设计转速环调节器设计: 按系统综合成典型按系统综合成典型(dinxng)II型系统来设计，型系统来设计，这样既可以保证转速无静差，又有较强的抗扰性。这样既可以保证转速无静差，又有较强的抗扰性。第18页/共36页第十九页，共36页。1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计一、系统(xtng)建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统(xtng)的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论第19页/共36页第二十页，共36页。1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下：系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下：直流电动机：直流电动机：220V，13.6A，1480r/min，Ce=0.131V/（r/min），允许过载倍数），允许过载倍数(bish)=1.5；晶闸管装置：；晶闸管装置：Ks=76；电枢回路总电阻：；电枢回路总电阻：R=6.58；时间常数：；时间常数：Tl=0.018s，Tm=0.25s；反馈系数：；反馈系数：=0.00337V/（r/min），），=0.4V/A；反馈滤波时间常数：；反馈滤波时间常数：Toi=0.005s，Ton=0.005s 。这里我们借助这里我们借助(jizh)Simulink来分析一下双闭环来分析一下双闭环V-M系统的动态性能系统的动态性能 第20页/共36页第二十一页，共36页。1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计第21页/共36页第二十二页，共36页。1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计图4-8 理论设计条件下输出转速(zhun s)曲线图图4-8给出了基于上述理论设计的系统仿真结果，我给出了基于上述理论设计的系统仿真结果，我们发现：转速们发现：转速(zhun s)有很大的超调（并不是有很大的超调（并不是8.3%）。）。 第22页/共36页第二十三页，共36页。1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计究其原因有如下几点：究其原因有如下几点：1、前述的理论设计没有考虑、前述的理论设计没有考虑“饱和非线性饱和非线性”的影响，由的影响，由于起动阶段于起动阶段ASR饱和程度太大，当转速超调后需要很长一段饱和程度太大，当转速超调后需要很长一段时间来退出饱和，退饱和这段时间转速仍然在上升，这段时时间来退出饱和，退饱和这段时间转速仍然在上升，这段时间的系统响应特性与积分时间常数有很大的关系间的系统响应特性与积分时间常数有很大的关系(gun x)；2、系统设计中毕竟存在几个环节的、系统设计中毕竟存在几个环节的“近似处理近似处理”。所以，下面我们需要依据经验，对所以，下面我们需要依据经验，对ASR与与ACR的参数在理的参数在理论设计的基础上作适当的调整；调整后的系统结构与参数如论设计的基础上作适当的调整；调整后的系统结构与参数如图图4-9所示；下面进行系统仿真实验与分析。所示；下面进行系统仿真实验与分析。第23页/共36页第二十四页，共36页。4.1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计图4-9 V-M系统(xtng)的动态结构图第24页/共36页第二十五页，共36页。4.1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计通过仿真实验，对于图4-10，4-11，4-12所示的系统工作过程可概括成如下几点：1ASR从起动到稳态运行的过程中，经历了两个状态，即饱和限幅输出与线性调节状态。2ACR从起动到稳态运行的过程中只工作在一种状态，即线性调节状态。3图4-10所示的电动机起动特性已十分接近理想特性，所以，该系统对于起动特性来说，已达到预期目的。4对于系统性能指标来说，起动过程中电流的超调量为5.3%，转速的超调量达21.3%，显然这一指标与理论最佳设计尚有一定(ydng)的差距，尤其是转速的超调量略高一些。 第25页/共36页第二十六页，共36页。4.1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计图4-10 ASR的输出特性第26页/共36页第二十七页，共36页。4.1 直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计图4-11 ACR的输出特性第27页/共36页第二十八页，共36页。4.1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计图4-12 电动机起动(q dn)特性第28页/共36页第二十九页，共36页。4.1 直流电动机(dngj)转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真(fn zhn)实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论第29页/共36页第三十页，共36页。4.1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计 一般情况下，双闭环直流电机调速控制系统的外部干扰主要是“负载突变与电网电压波动”两种情况，因此(ync)图4-13，4-14中分别给出了该系统电动机转速在突加负载及电网电压突减情况下动态特性的仿真分析。 图4-13 突加负载(fzi)抗扰特性第30页/共36页第三十一页，共36页。4.1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计图4-14 电网(dinwng)电压突加抗扰特性第31页/共36页第三十二页，共36页。4.1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计通过仿真实验，对于该系统的抗扰性能，我们可有如下几点结论：1系统对负载的大幅度突变具有良好的抗扰能力(nngl)，在I=12A的情况下系统速降为n=44r/min，恢复时间为tf=1.5s。2系统对电网电压的大幅波动也同样具有良好的抗扰能力(nngl)。在U=100V的情况下，系统速降仅为9r/min，恢复时间为tf=1.5s。3与理想的电动机的起动特性相比较，该系统的起动和恢复时间显得略长一些（轻载状态下接近4s）。第32页/共36页第三十三页，共36页。4.1 直流电动机转速(zhun s)/电流双闭环控制系统设计一、系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真(fn zhn)实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论第33页/共36页第三十四页，共36页。4.1 直流电动机转速/电流(dinli)双闭环控制系统设计1仿真结果与理论设计有一定的差距，由图4-12可见，电流动态响应的超调量为=5.3%（理论值为4.3%），转速动态响应超调量为=21.3%（理论值为8.3%）。另外，ASR与ACR的参数与理论设计值也有差距。从仿真结果上看，系统还未调整到最佳状态，这一点可从动态过渡时间及动态恢复(huf)时间上来看，对于小功率电动机来说系统的响应慢了一点。 如果我们在实际装置上再对系统进行实际调整，我们还会发现：实际调试结果与仿真结果还将有一些差距，而与理论分析结果的差距可能更大一些（主要的调节器参数）。 第34页/共36页第三十五页，共36页。Thank you !第35页/共36页第三十六页，共36页。