双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计

双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·0·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(3)姓名：***学号：********指导教师：袁明靖澎王世刚成绩：双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·1·双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计(3)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，Ce=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，TL=0.031s,Tm=0.112s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,转速反馈滤波时间常数Ton=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i≤5%，电机空载起动到额定转速时的转速超调量n≤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双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·2·目录第一章介绍……………………………………………………4第二章双闭环调速系统的实际动态结构框图………………52.1双闭环调速系统的动态结构框图…………………………52.2双闭环调速系统的动态结构框图…………………………52.3设计原则与步骤……………………………………………62.4工程设计方法的基本思路…………………………………6第三章电流调节器的设计……………………………………73.1电流环结构框图的化简……………………………………73.2电流调节器结构的选择……………………………………93.3电流调节器的参数计算……………………………………103.4校验…………………………………………………………113.5计算调节器电阻和电容……………………………………12第四章转速调节器的设计.……………………………………144.1电流环的等效闭环传递函数………………………………144.2转速环结构的化简和转速调节器结构的选择……………144.3转速调节器的参数的计算…………………………………184.4校验…………………………………………………………194.5计算调节器电阻和电容……………………………………194.6校核转速超调量……………………………………………20第五章转速调节器退饱和时转速超调量的计算……………21第六章Simulink仿真…………………………………………25双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·3·6.1Simulink仿真框图………………………………………256.2仿真结果…………………………………………………276.3仿真分析…………………………………………………28总结和心得…………………………………………………………29参考文献……………………………………………………………30双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·4·第一章介绍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。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。双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·5·第二章双闭环调速系统的实际动态结构框图2.1双闭环调速系统的动态结构框图)(sUi)(sE)(sIdL11sTon)(sUnASR11sToi)(sUc)(sIdACR1sTKss)(0sUd1/1sTRlsTRmeC11sToi)(sn1sTon电流环图2-1双闭环调速系统的动态结构框图2.2双闭环调速系统的动态结构框图图2-2双闭环调速系统的静态结构框图双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-1。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。这样的滤波环节双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·6·传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，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的给定滤波环节。2.3设计原则与步骤按照设计多环控制系统先内后外环的一般原则，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调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。建立调节器工程设计方法所遵循的的原则是1.概念清楚、易懂；2.计算公式简明、好记；3.不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；4.能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；5.适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。2.4工程设计方法的基本思路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。双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·7·第三章电流调节器的设计3.1电流环结构框图的化简在图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lT远小于机电时间常数mT，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，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0E，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3-1。)(sUi)(sUc)(sId)(0sUd1sToi11sToiACR1sTKss1/1sTRl图3-1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/)(sUi，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图3-2。)(sUc)(sIdACR1sToi)(sUi)1)(1(/sTsTRKlss双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·8·图3-2等效成单位负反馈系统按表3-1，可知三相桥式电路的平均失控时间sTs0017.0，0.002oiTs，电磁时间0.031lTs表3-1各种整流电路的失控时间)50(HZf整流电路形式最大失控时间msTs/max平均失控时间msTs/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3.331.67sT和oiT比lT小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为：0.0037isoiTTTs（3-1）则电流环结构框图最终简化成图3-3。)(sIdACR)(sUi)1)(1(/sTsTRKils图3-3小惯性环节近似处理双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·9·3.2电流调节器结构的选择图3-3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，显然应采用PI型的调节器，其传递函数可以写成ssKsWiiiACR)1()(（3-2）式中iK--------电流调节器的比例系数i--------电流调节器的超前时间常数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0.031ilTs（3-3）则电流环的动态结构框图便成为图3-4所以的典型形式，其中RKKKisiI（3-4）)(sId)(sUi)1(sTsKiI图3-4校正成典型Ⅰ型系统电流环动态结构框图图3-5绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性.dBL/OciiT1decdB/40decdB/201/s图3-5校正成典型Ⅰ型系统电流环开环对数幅频特性双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·10·3.3电流调节器的参数计算表3-2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1.00.80.7070．60．5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间rt6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间pt8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度3.769.695.652.598.51截止频率cT/243.0T/367.0T/455.0T/596.0T/786.0由式3-2可以看出，电流调节器的参数是iK和i，其中i已选定0.031ilTs，待定的只有比例系数iK，可根据所需的动态性能指标选取。设计要求电流超调量%5i，由表3-2，可选707.0，5.0iITK，且已知oisiTTT=s0037.0002.00017.0，因此电流环开环增益：11.1350037.05.05.0sTKiI双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时。各变量之间的关系：0nnUUnndmdiiIIUU已知两个调节器的输入和输出最大值都是V10，额定转速375/minNnr，额定电流760NIA，过载倍数1.5，则转速反馈系数：双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·11·α=𝑈𝑛𝑚∗𝑛𝑚𝑎𝑥=10375=0.0267𝑉∙𝑚𝑖𝑛/𝑟电流反馈系数：β=𝑈𝑖𝑚∗𝐼𝑑𝑚=𝑈𝑖𝑚∗𝜆𝐼𝑑=101.5×760=0.0088𝑉/𝐴由式（3-3）和（3-4），且已知0.031lTs，0.14R，75sK，电流调节器超前时间：0.031ilTs则电流调节器的比例系数：K𝑖=𝐾𝐼𝜏𝑖𝑅𝐾𝑠𝛽=135.1×0.031×0.1475×0.0088=0.8883.4校验1.检查对电源电压的抗扰性能：𝑇𝑙𝑇∑𝑖=0.031𝑠0.0037𝑠=8.38参照表3-3的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能都是可以接受的。表3-3典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系221TTTTm51101201301%100maxbCC%5.55%2.33%5.18%9.12Ttm/8.24.38.30.4Ttv/7.147.217.284.30电流截止频率：11.135sKIci2.晶闸管整流装置传递函数的近似条件13𝑇𝑠=13×0.0017𝑠=196.1𝑠−1𝜔𝑐𝑖满足近似条件。3.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计·12·3√1𝑇𝑚𝑇𝑙=3×√10.112𝑠×0.031𝑠=50.91𝑠−1𝜔𝑐𝑖满足近似条件。4.电流环小时间常数近似处理条件13√1𝑇�