1、自動控制原理課程設計(論文)題目: 無超調小功率直流調速系統設計 學生姓名 654313405 專 業_ 自動化（工程方向） 學 號_ 654313405 班 級_ 2008 級2 班 指導教師 彭生祥 成 績_ 工程技術學院2011 年 1 月目 錄1.課程設計任務、內容與步驟21.1.設計指標21.2.設計內容與步驟22.直流電機相關參數的測算33.調速系統的總體設計3電流調節器33.1.轉速調節器43.2.系統原理圖44.直流電源的選擇55.電流內環的設計55.1.電流環結構組成56.轉速外環的設計76.1.轉速環結構組成76.2.轉速環PI調節器部分參數計算87.仿真與調試過程97.1

2、.繪制系統框圖97.2.系統調試108.心得體會與收獲118.1.鞏固了相關知識118.2.第一次將理論知識運用于實踐128.3.其他感想12無超調小功率直流調速系統設計1. 課程設計任務、內容與步驟1.1. 設計指標設計無超調小功率直流調速系統，要求滿足以下指標：轉速無超調，電流最大超調量小于5%；轉速與電流調節器均為帶限幅輸出的調節器；階躍負載擾動作用下的恢復時間小于0.1S。1.2. 設計內容與步驟測定直流電機的各個參數，包括電樞回路電阻、電阻、電感、電磁時間常數及機電時間常數；按可逆調速的要求，選擇直流電源的形式，給出電路圖及輸出波形圖；不要求對具體的元件型號及參數進行選擇，也不要求對

3、電源本身的控制電路（如可控硅整流的觸發電路與PWM整流的驅動電路）及相關的保護電路進行選擇；按各分組中性能指標額要求，設計轉速、電流雙閉環系統，給出系統的原理圖及動態結果圖；利用靜態特性圖確定反饋系數及各環節增益；利用動態結構圖進行校正，確定各調節器（控制器）的結構與參數；利用matlab進行仿真調試，觀察系統啟動過程中（即階躍響應）轉速誤差、電流誤差、點數回路電流及轉速的變化曲線，對參數進行適當調整，直至滿足性能指標要求；2. 直流電機相關參數的測算電樞回路電阻的測量：采用伏安法測電阻，將電樞繞組當做簡單的電阻來測量，并采用多次測量求平均值的方法；電樞回路電感的測量：與測量電阻類似，采用伏安

4、法測量，但輸入電源采用交流電源輸入，先求阻抗，再算電感值；機電時間常數的測量：在示波器上測量測速發電機的輸出電壓，記錄一組電壓時間數據，然后曲線擬合求電機時間常數。電機參數列表電樞電阻21.6電樞電感0.646H機電時間常數0.10065電磁時間常數0.0029額定電壓220V額定電流1.2A額定功率185W額定轉速1600r/min3. 調速系統的總體設計直流雙閉環調速系統中設置了兩個調節器, 即轉速調節器(ASR)和電流調節器(ACR), 分別調節轉速和電流, 即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。電流調節器電流調節器使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環調節器的輸出量）變化。對電網電壓的波動起及時

5、抗擾的作用。在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程。由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節器的輸入，需加低通濾波。3.1. 轉速調節器轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。它對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。由于測速發電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波。3.2. 系統原理圖系統設計的一般原則是：先內環后外環。在這里，首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。由于調速系統的主要被控量是轉速,

6、故把轉速負反饋組成的環作為外環, 以保證電動機的轉速準確跟隨給定電壓, 把由電流負反饋組成的環作為內環, 把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。 雙閉環調速系統原理圖如下所示：4. 直流電源的選擇應用于直流電機調速系統的常用的直流電源有晶閘管相控整流電源和PWM控制與變換器，二者的動態數學模型基本一致，但考慮到晶閘管相控整流電源需要在環內加裝平波電抗器，設計過程較為復雜，且PWM在工程中運用已相當普遍，故本次課程設計的直流電源采用PWM控制與變換器。如下圖所示：5. 電流內環的設計5.1. 電流環結構組成從穩

7、態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，由圖2.3.1c可以看出，采用型系統就夠了。再從動態要求上看，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，電流環應跟隨性能為主，即應選用典型型系統。圖2.3.1c 表明，電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型型系統，顯然應采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成 （16）式中 電流調節器的比例系數； 電流調節器的超前時間常數。為了讓調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇 （17）則電流環的動態結構框圖便成為圖所示的典型形式52.電流調節

8、器參數計算由公式（1-6）得電流調節器傳遞函數為，要求得具體參數，則需要知道及，為了讓調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇 則由公式（1-8）可得到電流環放大系數，又由公式（1-12）有，則可得到 （2-1）其中，選取時間常數,為了基本濾平電流，取電流濾波時間常數，則有；;，;則可求得則有電流環傳遞函數為： （2-2）此時電流超調量=4.32%，小于5%，符合系統要求。6. 轉速外環的設計6.1. 轉速環結構組成由于需要實現轉速無靜差，而且在后面已經有一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。由此可見

9、，ASR也應該采用PI調節器，其傳遞函數為 （122）式中 轉速調節器的比例系數； 轉速調節器的超其時間常數在雙閉環調速系統中，加入轉速微分負反饋的轉速調節器，和普通的轉速調節器相比，在轉速反饋環節上并聯了微分電容和濾波電阻，即在轉速負反饋的基礎上再疊加一個帶濾波的轉速微分負反饋信號。在轉速變化過程中，轉速負反饋和轉速微分負反饋兩個信號一起與給定信號相抵，將在比普通雙閉環系統更早一些的時刻達到平衡，開始退飽和。其結構圖及其化簡形式如下圖所示：6.2. 轉速環PI調節器部分參數計算由公式（1-22）可知轉速調節器的傳遞函數為，又由式（1-21）及（1-23）可求得 （2-3）按跟隨性能和抗擾性能

10、都較好的原則選取，則可得由公式（1-24）及（1-25）可求轉速環開環增益K及轉速調節器ASR的比例系數，其中 (2-4)其中Tm=0.52s；;；則可求得，則求得轉速調節器閉環傳遞函數為： （2-5）在退飽和的情況下，計算轉速超調有（2-6）在h=5時有=81.2%；=1.5；=0.07s； =0.0012s；=0.133；空載啟動時有；即可求得由此可見轉速超調量很大，不滿足不需要超調量的要求，故需加入轉速微分負反饋實現轉速無超調。轉速環轉速微分負反饋部分參數計算式中用小數表示允許的超調量。本次設計中=0，故其中h=5,=0.016，所以7. 仿真與調試過程7.1. 繪制系統框圖在MATLA

11、B中依照原理圖選擇合適模塊完成系統框圖。注意轉速調節器不能用普通的傳遞函數模塊，而應采用比例積分分離器，且轉速調節器輸出端應加入限幅環節，以防止電機過流并使電機在啟動時實現線性啟動；電流調節器同樣要加以限幅，電流調節器輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，即使不希望電流調節器進入限幅。系統框圖如下：7.2. 系統調試系統調試的一般原則是：先內環后外環，因為如果內環性能稍差，不能完全滿足設計要求，還可以通過外環加以矯正，而對于外環相關參數的偏差，內環的調節能力明顯要差得多。因此，首先調試電流內環的相關參數，基本符合要求后再調整轉速外環的相關參數。電流內環的調試：調整ASR的比例系數和積

12、分時間常數，使得電機在啟動過程中超調小于百分之五，且超調過后電流能馬上達到較大的恒定值并實現恒流啟動。增大ACR的比例系數會使電流環的超調增大，但對恢復時間影響不大；慢慢調整ACR的系數，直到電流輸出滿足要求，如下圖所示：轉速外環的調試：在電流內環基本確定時，開始調試轉速外環的參數。增大微分時間常數可以減小轉速的超調，但是過大又會使系統震蕩；增大ACR的比例系數則使系統加負載之后的恢復時間減少，同時穩態誤差有所減小；適當提高積分飽和的門限值可以明顯減小穩態誤差，但過大會使轉速環變得明顯超調。調整以上參數，直到轉速和電流的輸出波形都基本符合要求，如下圖所示：8. 心得體會與收獲8.1. 學到的新

13、知識要實現電流超調小于百分之五的同時轉速無超調，必須同時有電流負反饋和轉速負反饋兩條反饋。即必須同時有轉速環和電流環，由于最終目的是控制電機轉速，故轉速環必須在外。無論是電流環還是轉速環，均需要加入濾波環節，以濾除環內的噪聲干擾，并使系統的型別滿足要求。實際的比例積分器都是帶有限幅環節的，故所用到的PI調節器均需要帶有限幅環節，才能切合實際，即使我們不希望ACR的PI調節器進入限幅狀態；ASR的限幅還有保護電機并使電機線性啟動的作用。調速系統的電源如選用晶閘管相控整流電源，則需要在環內加裝平波電抗器，否則會使系統很難調整到滿足設計指標的要求。在反饋回路中加入測速反饋有可能使系統無超調。8.2.

14、 鞏固了相關知識雖然這次課程設計只是對所學的電機原理與拖動技術和自動控制原理等的相關知識的一次較為簡單的運用，但依然是對我們的一次嚴峻考驗，設計過程中，我發現自己對電機工作原理、啟動過程和機械特性等知識幾乎都沒有多少印象了，而對于自動控制原理里面的系統型別與穩定性的關系、PI調節器系數選擇對系統特性的影響和測速反饋對系統快速性與穩定性的影響等知識也掌握得不夠牢固。這次課程設計要求我們必須回歸課本，熟練掌握并運用相關知識。8.3. 第一次將理論知識運用于實踐以前都是在做題時運用所學知識，這次課程設計要求將理論知識運用于實踐，更加考驗我們對知識的綜合運用能力，同時提高了我們對知識的梳理與匯總、學習新知識以及靈活運用搜索引擎及數字圖書館的電子資源等能力，對獨立思考、發現問題并解決問題的能力也有很高的要求。8.4. 其他感想五天的課程設計并不像曾經想象的那樣枯燥無味，幾乎都是在歡聲笑語中度過，即使有時會因為當天的任務可能無法完成而有些慌亂，因為我確信我們十一個人的團隊是一個優秀的團隊。這五天中，大家相互合作，共同發現問題并、探討問題并集合全隊的力量解決問題，最終完基本成本次課程設計任務。隊友間的默契配合及互相幫助以及老師不辭辛勞的指導和無私幫助都使我感動；大家幽默的話語則使課程設計的過程變得輕松快樂?？傊?，這次課程設計給我我大學