电力拖动及控制课程设计.docx

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电力拖动及控制课程设计

摘要

而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。

闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等，给定信号0~10v直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。

由于其机械特性硬，调速范围宽，而且是无极调速，所以可对直流电动机进行调压调速。

动静态性能好，抗扰性能佳。

速度调节剂抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静效果。

电流环校正成典型I型系统。

为使系统在阶跃时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。

根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用MATLAB中Simulink分别做了电流环和转速环的直流调速系统进行仿真调式，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。

关键词：

直流电动机,直流调速系统,单闭环直流,电流环,转速环，双闭环系统

1.概述

为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。

而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。

闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。

在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套联接。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在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；转速换在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统课程设计是我们在校期间的一次综合训练，它将从思方法、理论知识以及动手能力方面给予我们严格的要求。

使我们综合能力有一个整体的提高。

它不但使我们巩固了本专业所学的知识，还使我们了解、熟悉了国家能源开发策略和有关的技术规程、规范以及各种设备的图形、符号等。

它将为我们以后的学习、工作打下良好的基础。

本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较及其确定，主电路设计控制电路等。

设计的内容符合国家有关经济技术政策，包括可靠性、经济性等方面

。

2.设计任务及要求

2.1设计任务及要求

1设计开环调速仿真系统，并分析其特点

2设计转速闭环控制的调速系统，并分析其优缺点

3用工程设计方法，设计双闭环调速系统的电流和转速调节器，相应的调节器放大电路，并进行频率校验

4用simulink进行双闭环系统性能验证

2.2题目

在一个由晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：

PN=60kW，UN=220V,IN=308A,nN=1000r/min，电动势系数Ce=0.196V·min/r，主回路电阻R=0.18Ω，触发整流环节的放大倍数Ks=35，等效惯性时间常数Ts=0.00333s。

电磁时间常数Tl=0.012s，机电时间常熟Tm=0.12s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.0025s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.015s。

额定转速时的给定电压（Un*）N=10V，调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim=10V，Ucm=6.5V。

系统的静、动态指标为：

稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量δi≦5%，空载启动到额定转速时的转速超调量δn≦10%。

2.3设计步骤规范化要求

按如下步骤，双闭环调速系统的电流和转速调节器的设计。

（1）确定电流反馈系数β（假设启动电流在339A以内）和转速反馈系数α;

（2）设计电流调节器ACR，计算器参数Ri,,Ci,Coi，已知调节器的输入回路电阻R0=40KΩ；

（3）设计转速调节器ASR，计算其参数Rn、Cn、Con，已知调节器的输入回路电阻R0=40KΩ；

（4）进行频率校验；

（5）用simulink对所设计闭环系统进行仿真；

（6）总结本次课程设计的收获体会。

3.理论设计

3.1.方案论证

3.1.1.设计思路：

带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。

当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静差调速。

对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负反馈作限流保护，但这并不能控制电流的动态波形。

按反馈的控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程。

另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。

例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。

按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，得到电流的自动保护。

3.1.2.双闭环调速系统的组成：

a.系统电路原理图

图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图。

图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。

两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。

b.系统动态结构图

图2-2为双闭环调速系统的动态结构框图，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。

滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。

为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

其作用是：

让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

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

根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。

3.2.系统设计

3.2.1.确定反馈系数

电流反馈系数

转速反馈系数

3.2.2.设计电流调节器ACR

3.2.2.1.确定时间常数

整流装置滞后时间常数，三相半波电路平均失控时间：

Ts=0.00333s

电流反馈滤波时间常数：

Toi=0.0025s

电流环小时间常数之和（按小时间常数近似处理）为：

3.2.2.2.选择电流调节器结构

根据设计要求:

且

因此可按典型I型系统设计电流调节器ACR。

而电流环控制对象为双惯性型，所以采用PI型电流调节器，其传递函数为：

3.2.2.3.计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

电流开环增益：

要求

，按书中表2-2，应取

，因此：

则ACR的比例系统为:

3.2.2.4.校验近似条件

电流环截止频率：

（1）晶闸管整流装置传

递函数近似的条件为：

满足近似条件

忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：

，现在

满足近似条件

（3）电流环小时间常数近似处理条件为：

；现在

；

满足近似条件。

3.2.2.5.计算调节器电阻和电容

按所用的运算放大器取得R0=40KΩ。

各电容和电阻值为：

、

、

所以：

取：

Ri=7KΩ；

取：

Ci=1.7μF；

取：

Coi=0.25μF。

按照上面计算所得的参数，电流内环可以达到的动态跟随性能制标为

（见书上表2—2），满足课题所给要求。

3.2.3.转速调节器设计

3.2.3.1.确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为：

（2）转速反馈滤波滤波时间常数为：

（3）转速环小时间常数（按小时间常数近似处理）为：

3.2.3.2.选择转速调节器机构

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态要求，应该按典型II型系统设计转速环。

所以ASR选用PI调节器，其传递函数为:

计算调节器参数：

按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：

并求得转速开环增益为：

则可得ASR的比例系数[由书上2—83]为：

3.2.3.3.校验近似条件

由书上（2—3）转速环截止频率为：

电流环传递函数简化条件：

；现在

满足简化条件；

转速环外环的小时间常数近似处理条件为：

；现在

满足近似条件。

3.2.3.4.计算调节器电阻和电容

按所用的运算放大器取R0=40KΩ。

各电容和电阻值为：

取Rn=346KΩ；

取Cn=1.5μF；

3.2.3.5.校验转速超调

当h=5时，在书中可查得：

σn=37.6%，这并不符合课体所给要求。

实际上，由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

如下：

由

得

Id=175A

由

得

由

得

由书上（2—91）

当h=5时，

；

而

；

因此

满足设计题目要求。

3.2.4.进行频率校验

参考书上图（2—37）可知

各转折频率和截止频率依次为

从计算看出，以上频率逐渐减小，因此，这样设计的双闭环系统外环一定比内环慢。

4.仿真系统建模及实验

4.1.matlab仿真软件介绍

在1980年前后，美国的Cleve博士在NewMexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrixLABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。

MATLABSGI由美国MathWorks公司开发的大型软件。

在MATLAB软件中，包括了两大部分：

数学计算和工程仿真。

其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。

在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。

本文通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较开环系统和闭环系统的差别，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。

然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。

4.2.仿真建模及实验

4.2.1.开环仿真实验

开环动态结构图

Simulink仿真图：

仿真结果：

4.2.2.转速单闭环控制调速系统

动态结构图

Simulink仿真图：

4.2.3.电流环转速环设计

4.2.3.1.电流环设计

电流环动态结构图

Simulink仿真图：

对应的电流环模块仿真图

4.2.3.2.转速环设计

转速环动态结构图

Simulink仿真图

对应的转速环模块仿真图

图4.2.1按课题所给要求，我们用单闭环直流调速系统进行仿真设计，运用MATLAB的simulink进行系统建模，单闭环直流调速系统仿真模型如图所示：

单闭环直流调速系统仿真模型图

单闭环直流调速系统转速图

图4.2.1单闭环直流调速系统仿真模型图

4.2.4.双闭环仿真实验

双闭环调速系统的动态结构图

代入数据后，得，

双闭环直流调速系统转速和电流波形

5.总结和体会

一周设计结束，首先我要感谢对到我们的老师，没有老师的讲解，很难完成这次课程设计。

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。

熟悉电力拖动自动控制系统基本知识及Matlab仿真软件。

我通过这次的锻炼学到了很多的东西,不仅锻炼了自己的思考能力、计算能力、绘图能力，还锻炼了综合运用知识的能力，不仅了解电动机如何调速，而且也会运用计算，直到如何选用适当的电动机。

同时，我也是在这次课程设计中看到了自己的不足，我还有许多未知的知识要学，直到学海无涯，知道了今后需要更加努力，使自我能够不断更加完善。

通过这次的课程设计的锻炼，我学到了很多的东西，可以说是收益非浅。

知识就是力量，我会不断充实自我，用知识武装自我，做个有用的人！

6.参考文献

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机械工业出版社,2006.1.[

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9）陈伯时.变频调速系统的矢量变换控制.上海工业大学学报，1984（4）

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电子工业出版社.2005

11）陈伯时主编.自动控制系统——电力拖动控制.北京：

中央广播电视大学出版社，1988