1、課程設計說明書學院：機電工程學院專業：電氣工程及其自動化課程名稱：電力拖動自動控制系統設計題目：雙閉環調速系統 ASR和ACR結構及參數設計姓名：學號：指導教師：成績:雙閉環調速系統ASR和ACF結構及參數設計（5）一. 設計目的：掌握用工程設計方法設計雙閉環調速系統的轉速調節器和電流 調節器，加深對雙閉環直流調速系統理解。二. 設計內容：有一個轉速、電流雙閉環直流調速系統，采用三相橋式全控整流裝置供電，已知電動機數據如下：550kW 750V, 780A, 375r/min ,Ce=1.92Vmin /r，允許電流過載倍數1.5，主回路總電阻R= 0.1 Q, Ks =75, Tl=0.03

2、s,T m=0.084s,電流反饋濾波時間常數 Toi=0.002s,轉 速反饋濾波時間常數Ton=0.02s, ASR最大最大給定值和輸出限幅值為 12V, ACR最大輸出限幅值為12V。設計要求：穩態無靜差，動態指標：電流超調量 i 5%,電 機空載起動到額定轉速時的轉速超調量 n *Tm-IdLsUn U*iIdKs1/UdOT0ns+1T0is+1圖1-2雙閉環調速系統的動態結構圖T0i 電流反饋濾波時間常數TOn 轉速反饋濾波時間常數二電流調節器的設計2.1電流環結構圖的簡化1 ）忽略反電動勢的動態影響在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響，即E0。這時，電流環

3、如下圖所示。1+ACRUc (s)KsUd0(s)1/RT0is+11 -*Tss+1Tl s+1Id (s)U*i(s)Ui (s)圖2-1a電流環的動態結構圖及其化簡2）等效成單位負反饋系統如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成U*i（s） / ，則電流環便等效成單位負反饋系統（圖2-1b）。U*i(s)Uc (s)T0is+1ACRKs /RId (s)i(Tss+1)(TI s+1)圖 2-1b3）小慣性環節近似處理最后，由于Ts和TOi 般都比TI小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環節，其時間常數為(2-1)TE i = Ts + Toici

4、簡化的近似條件為TsToi電流環結構圖最終簡化成圖2-1c。圖 2-1c2.2電流調節器結構的選擇從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，由圖2-23c可以看出，采用I型系統就夠了。從動態要求上看，實際系統不允許電樞電流 在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統。1 ）電流調節器選擇圖2-1c表明，電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統，顯然應采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成WAcRs)Ws 1)iS(2-2)為了讓調節器零點與控制對象的大

5、時間常數極點對消，選擇Ti(2-3)則電流環的動態結構圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中K iK siR式中 Ki 電流調節器的比例系數; 校正后電流環的結構和特性(2-4)T 電流調節器的超前時間常數a)動態結構圖:Ui (s)KiId(s)s(s 1)圖2-2校正成典型I型系統電流環動態結構框圖圖2-3校正成典型I型系統電流環開環對數幅頻特性2.3電流調節器的參數計算表2-1典型I型系統跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系秦數關系0-250.390/50.691 .O1.0O.S0.7070.605超調童bO %1 3%d.3 %9,5 %16.3 啊上升時間“noA.7T3.3T2y

6、ir瞇值時冋Zp3376.27T4.7T3J2T相fn穩定裕度y3359.2 05 i_.it 0減it皴率叫O43/TO.455/71O7S6/7由式2-2可以看出，電流調節器的參數是 Ki和j,其中i已選定，待定的只 有比例系數Kj，可根據所需的動態性能指標選取。設計要求電流超調量i 5%， 由表2-1, KT=KiTi 0.5可選 0.707,，且已知T i Ts Toi =0.0017 0.002 0.0037s， 因此電流環開環增益：Ki 05135.14s 1T i 0.0037雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時。各變量之間的關系：Un Un nn。Ui Ui Id

7、 I dm已知兩個調節器的輸入和輸出最大值都是12V，額定轉速nN 375r/min ，額定電流In 780A，過載倍數1.5，則U 12轉速反饋系數： 0.032V min/rnN 375U12電流反饋系數： 上 0.01V/AIn 1.5 780由式（2-3）和（2-4），且已知 Tl 0.03s，R 0.1 ，Ks 75，則Ks750.01Tl0.038.108，0.0037參照表2-2的典型I型系電流調節器的比例系數：Ki 空應135.14 0.03 O.1 0.542.4校驗1）檢查對電源電壓的抗擾性能：統動態抗擾性能都是可以接受的表2-2典型I型系統動態抗擾性能指標與參數的關系Tm

8、 T2T215110120130cCmax100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4電流截止頻率：ci Ki 135.14s2）晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件1 13Ts3 0.0017196.1sci滿足近似條件3）忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件，已知Tm 0.084sTmTL10.084 0.0359.76sci滿足近似條件4）電流環小時間常數近似處理條件10.0017 0.002180.8sci滿足近似條件2.5計算調節器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調節器原理圖如圖2-4，圖中

9、J為電流給定電壓，Id為電流反饋電壓，調節器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓Uc根據運算放大器的電路原理，且已知 R。40k,可以容易地導出:KiR0Ri KiR00.54 4021.6k ，取 20 kRGCi丄 Tl0.03RRi20 1031.5 10 6F1.5 F，取 1.5 FToi4RCoiCo, 4十 4X 2107f 02F，取2FRiCA+.+R balCoiRo2(3-2)Ro2i圖2-4含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器按照上述參數：20k, G 1.5 F , Coi 0.2 F，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為i 4.3%5% (見表2-1 )，滿足以上要求

10、。三.轉速調節器的設計3.1電流環的等效閉環傳遞函數電流環經化簡后可視作轉速環中的一個環節，為此需要求出它的閉環傳遞函數Wdi(s)，由圖2-2可知：KiWcli(s)U：ss/s(Tis1)1( 3 1 )1KiTis21 s 1-S(S 1)KiKi忽略高此項，W/S)可降階近似為:Wcli (S)Ki接入轉速環內，電流環等效環節的輸入量應為Ui (s)，因此電流環在轉速環ld(s)Wcli(s)Ui(s)bs 1(3-3)Ki中應等效為:這樣，原來是雙慣性環節的電流環控制對象， 經閉環控制后，可以近似地等效成 只有較小時間常數1 KI的一階慣性環節。這表明，電流的閉環控制改造了控制對象，

11、加快了電流的跟隨作用。3.2轉速環結構的化簡和轉速調節器結構的選擇用電流環的等效環節代替圖1-1中的電流環后，整個轉速控制系統的動態結 構框圖如圖3-1所示。n(s)圖3-1用等效環節代替電流環和電流環中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成Un(S)/ ，再把時間常數1/Ki和Ton的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為T n的慣性環節,其中TnTon，則轉速環結構框圖可化簡成圖3-2圖3-2等效成單位負反饋和小慣性的近似處理為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器中。現在擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速環開

12、環傳遞函數應共有兩個積分環節， 所以應該設計成典型U系統，這樣的系統同時 也能滿足動態抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調量較大，那么線性系統的 計算數據，實際系統中轉速調節器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。由此可見ASR也應該采用PI調節器，其傳遞函數為：式中KnWASR(S)Kn( nS (3-4)轉速調節器的比例系數轉速調節器的超前時間Kn R( nS 1)n CeTmS 仃 nS 1)令轉速環開環增益Kn為:KnKn Rwn（S）Kn( nS 1)SfTnS 1)(3-5)(3-6)Un(S)英Kn( nS 1)n(s)2S 仃 nS 1)常數這樣，調速系統的開環傳遞函數為:Wn(

13、S)Kn( nS 1) R/nSCeTmS(T nS 1)圖3-3校正后成為典型U系統在典型U系統的開環傳遞函數中，時間常數 T是控制對象固定的，待定的參 數有K和。為了分析方便，引入一個新的變量h，令(3-7)圖3-4典型U系統的開環對數幅頻特性和中頻寬3.3轉速調節器的參數的計算已知KT=KITi 0.5，T i 0.0037s，則電流環等效時間常數:2T i 2 0.00370.0074s已知Ton 0.02s，則小時間常數近似處理的時間常數為:TnKiTon0.0074 0.020.0274s按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h 5，則ASR的超前時間常數為:hT n 5 0.0274

14、0.137s由式可知轉速環開環增益為:Kn2 22hTn5 12 22 50.0274159.84s由式可知ASR的比例系數為:Kn(h 1) CeTm2h RT6 0.01 1.92 0.0842 5 0.032 0.1 0.027411.043.4校驗由式可知轉速環的截止頻率為:Kncn1Kn n 159.84 0.13721.90s1）電流環傳遞函數化簡條件1 Ki1135.143 I T j 3 : 0.003763.70scn滿足簡化要求2）轉速環小時間常數近似處理條件1 Ki1135.1431 g 30.0227.4scn滿足近似條件3.5計算調節器電阻和電容根據圖3-5，已知R

15、40k ，則KnRnCnRnR01RjCon4R。2RnKnR011.04 40441.6k ，取 出440kCnCon0.137440 1034TonR03.114 10 7F 0.3114 F4 0.0240 10ConnConCn0.3 F2 10 6F 2 F ,取 ConRnCn圖3-5含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器3.6校核轉速超調量表3-1典型U系統階躍輸入跟隨性能指標（按 Mrmin準則確定參數關系）h34567891052.6%43.6%37.6% :33.2%P 29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35

16、ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111當h 5時，由表3-1 ,37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于表 3-1是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。四.轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算計算退飽和超調量時，起動過程可按分段線性化的方法來處理。當ASR飽和 時，相當于轉速環開環，電流環輸入恒定電壓 Um，如果忽略電流環短暫的跟隨過程，其輸出量也基本上是恒定值Idm，因而電動機基本上按恒加速度起動，其加速度為如(|dmdtRIdL)CT( 4-1 )Ce

17、 1 m這個加速過程一直延續到t2時刻nn時為止。取式（4-1 ）的積分，得(4-2)CeJn(I dm I dL)R考慮到Kn(h 1) CeTm2h RTn和Unn，Uim I dm，則t2(2h ) KnUn(h 1)UimIdLTn(4-3)ASR退飽和后，轉速環恢復到線性范圍內運行，系統的結構框圖見圖 3-1。 描述系統的微分方程和前面分析線性系統的跟隨性能時相同， 只是初始條件不同 了。分析線性系統跟隨性時，初始條件為n(0) 0，ld(O) 0討論退飽和超調時，飽和階段的終了狀態就是退飽和階段的初始狀態， 只是把時間坐標零點從t 0移到t t2時刻即可。因此，退飽和的初始條件是n

18、(0) n，ld(O) I dm由于初始條件發生了變化，盡管兩種情況的動態結構框圖和微分方程完全一 樣，過渡過程還是不同的。因此，退飽和超調量并不等于典型U系統跟隨性能指 標中的超調量。當ASR選用PI調節器時，圖3-1所示的調速系統結構框圖可以繪成圖4-1。由 于感興趣的是在穩態轉速n以上的超調部分，即只考慮 n n n，可以把初始條件轉化為 n(0) n，ld(O) I dm。由于圖4-2的給定信號為零，可以不畫，而把 n的反饋作用反饋到主通道 第一個環節的輸出量上，得到圖4-3。為了保持圖4-3和圖4-2各量間的加減關 系不變，圖4-3中的ld和IdL的+、-號相應的變化。圖4-1調速系

19、統的等效動態結構框圖以轉速n為輸出量Kn( nS 1)|d(s) A|d(s).Rn(s)nS(T nS 1)CeTmSn(s)圖4-2調速系統的等效動態結構框圖以轉速超調值n為輸出量ldL（S）Kn( nS 1)Id(s) M ld(s)Rn(s)nS(T nS 1)CeTm s圖4-3調速系統的等效動態結構框圖圖4-2的等效變化可以把退飽和超調看作是在Id I dm的負載下以n n穩定運行，在t t2時刻負載由Idm減小到IdL，轉速產生一個動態速升與恢復的過程。可利用表4-1給出的典型U系統抗擾性能指標來計算退飽和超調量，只要注意n的基準值即可。表4-1典型U系統動態抗擾性能指標與參數的關系h3 45678910Cmax /Cb72.2%77. 5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40b/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型U系統抗擾性能指標中，C的基準值的為Cb 2FK2T(4-4)可知RK2，TTn，FIdmIdLCeTm所以n的基準應是2 RT n (I dm I dL ) % -(4-5)令表示電機允許的過載倍數，即Idm IdN , z表示負載系數