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双闭环调速系统课程设计

双闭环调速系统课程设计
双闭环调速系统课程设计

目录页

第一章绪论 (2)

1-1课题背景,实验目的与实验设备 (2)

1-2国内外研究情况 (3)

第二章双闭环调速系统设计理论 (3)

2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3)

2-2系统的静,动态性能指标 (4)

2-3非典型系统的典型化 (6)

2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7)

第三章模型参数测定和模型建立 (9)

3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9)

3-2模型测定实验的计算分析 (11)

3-3系统模型仿真和误差分析 (18)

第四章工程设计方法设计和整定转速,电流反馈调速系统 (22)

4-1 设计整定的思路 (22)

4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正,简化 (23)

4-3转速调节器的整定和转速环的校正,简化 (25)

4-4系统的实际运行整定 (27)

4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨……………………………………

33 第五章设计分析和心得总结 (34)

5-1实验中出现的问题 (34)

5-2实验心得体会 (35)

第六章实验原始数据 (38)

6-1建模测定数据 (38)

6-2 系统调试实验数据 (39)

第一章绪论

1-1课题背景,实验目的与实验设备

转速,电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统,它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的,用传递函数建立动态数学模型,并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律,用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。转速,电流反馈控制的调速系统是一种串级系统,所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别,但又有不同于一般串级系统的。

本次实验的主要目的是针对一套调速系统(包括电源,电机,励磁回路等)建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数,投入运行。实验正值暑期实践及国际交流周,我们将用两周的时间来完成参数测定实验,系统建模,调节器整定和系统投入运行。

本次实验的实验设备包括:

实验设计的基本要求是:

性能指标

静态

静差率%s <5%

调速范围Ds 3 (483rpm-1450rpm) 动态 电流超调量%i σ

<5% 转速超调量

%n σ

<10%

1-2国内外研究情况

虽然目前的直流调速系统已经十分成熟,调速系统的信号给定已经做成集成电路,许多逻辑判断通过嵌入式系统或者工业控制机加入调速系统,但对它乃至电力拖动系统的研究是不会结束的,当前国内外关于电力拖动系统的研究主要集中在

应用现代控制理论,经典控制理论虽然物理概念明确,理论分析直观,但存在不能实现最优控制和大系统控制等问题。随着离散控制器及其理论的发展,现代控制理论有了用武之地。高性能的计算机可以实时完成复杂的运算;系统辨

实验装置 型号 规格 备注 电力电子传动平台 MCL-Ⅲ

实验平台 示波器

TDS-1012

带宽100MHZ 最高采样频率1GS/s

得到转速,电流波形,调节参数时参考 数字万用表 GDM-8145

测量电阻,电压

识,参数估计和算法鲁棒性上的应用,大幅改善了控制效果。

②研发新型的电力电子器件,随着电力电子器件走向耐高压,大功率,高频化和智能化,新型的电力拖动系统能拥有更可靠的性能,能适应更极端的工作条件。

③与嵌入式操作系统结合,嵌入式操作系统的加入能使电力拖动系统拥有更强大的功能,包括联网的云检测故障,大系统的协调工作等,此外,基于Linux 的数字伺服系统无疑是目前的研究热点。

第二章 双闭环调速系统设计理论

2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统

双闭环调速系统中,无论是电机还是调节器都被看成一个拉普拉斯变换成的

s 域模型,这些环节通过串并联合反馈连接在一起,构成了系统,要对系统进行

分析,就要先清楚一些典型系统的特性。

典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统的区别在于原点处零极点的个数不同,而除原点外其他处的零极点个数则区分了同一典型系统的不同系统。 典型Ⅰ型的开环传递函数结构为

)

1()(+=

Ts s K

s W

T ,K 分别为系统的惯性时间常数和开环增益。 典型Ⅱ型的开环传递函数结构为

)

1()

1()(2

++=

Ts s s K s W τ

)1(+s τ为一个比例微分因子,附带了惯性环节

1

1

+Ts ,比例微分因子存在的的作用是把系统的相频特性提升到 180-线以上,保证系统的稳定。 典型Ⅰ型的闭环传递函数结构为

2

2

22)(n

n n

cl s s W ωξωω++= T

K

n =

ω 为系统的自然振荡频率 KT

1

2

1=

ξ为系统的阻尼比 典型Ⅰ型的闭环传递函数结构为

11

2121

)(2

22332++++++=

hTs s T h h s T h h hTs s W cl h 为斜率为20dB/dec -的中频段宽度。

对于Ⅰ型系统而言,开环增益K 越大,截至频率c ω也越大,系统的响应也越快,但是相角裕量裕量γ会变小,在响应上的表现就是调节时间变短,但是振荡会加剧。

2-2系统的静,动态性能指标

在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静,动态性能,而要衡量调节器的设置和调整是否恰当,就需要一些相应的指标。

这些指标包括两大类,在下表中列出

跟随性能特性

名称 备注

上升时间 输出量第一次上升到稳态值所用的时间

超调量 输出量超过稳态值最大时与稳态值差值比上稳态值 峰值时间 输出量上升到最大值所用时间

调节时间

输出量稳定在稳态值附近一定范围内所用时间

抗扰性能特性

动态降落 稳态运行时突加负扰动造成的输出量降落 恢复时间

稳态运行时突加扰动后输出稳定在一定范围的时间

表2-1 性能指标及其定义

Ⅰ型系统的闭环系统是一个二阶系统,它的暂态响应特性指标与系统的阻尼比和自然振荡频率有关,并且可以归纳成下表

表2-2 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

Ⅱ型系统的闭环系统是一个三阶系统,可以将它用主导零极点法简化成二阶系统进行分析,它的跟随性能指标也可以归纳为

表2-3 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标

2-3非典型系统的典型化

实际控制对象的传递函数多种多样,往往受很多参数影响,并且直接由微分方程建立的是高次模型。为了构造成低阶的典型系统,需要做许多近似处理,包括,

1.高频段小惯性环节的近似处理

当高频段有几个小时间常数(1T ,2T …)时,用一个小时间常数T 来代替,并且有

?++=21T T T

2.高阶系统降阶近似处理

考察一般情况下的高阶系统

1

)(23+++=

cs bs as K

s W

系统稳定,即存在a bc >

则忽略系统的高次项,将系统简化为

1

1

)(`+=

cs s W

3.低频段大惯性环节近似处理

当系统中存在时间常数特别大的惯性环节

1

1

+Ts 时,存在近似条件 T

c 3

ω,或者10≥T ω 则惯性环节可以等效为

Ts

1

,事实上,等效后的相角裕量减小了,也就是说如果等效后的系统可以稳定的话,等效前的系统一定稳定,这也充分证明了这种等效是可用的。

2-4转速调节器和电流调节器的设计 1.设计内环的电流调节器ACR

首先要对电流内环进行简化,忽略反电动势的影响,再将内环等效为单位负反馈,进行小惯性环节近似处理,可以得到

图2-2 电流内环的简化

其中 s T 和 oi T 一般都比l T 小得多,可以近似为一个惯性环节,其时间常数为

oi s i T T T +=∑

设计出电流调节器后将电流环作等效处理

1

21

)(+=

∑s T s W i cli

而内环可以简化为典型Ⅰ型环节,从而在稳态性能上得到电流无静差,在暂态性能上有较强的跟踪能力。

系统参数要求满足

m l T T << l oi s T T T <<, 10/

由性能指标就可以求出系统的开环增益和调节器的比例增益系数i K

i

i i i i C R R R K ==τ0

/

由增益和时间常数设计出调节器

图2-3 ACR 和ASR 所用的带滤波PI 调节器

最后将电流环简化成一个典型Ⅰ型系统,作为外环的一个环节 2.设计转速调节器ASR

进行小时间常数近似处理

on i n T T T +=∑∑2

图2-4 简化后的转速环

将转速环校正为典型Ⅱ系统,以保证转速环的抗扰动能力。再计算转速调节器的比例增益和时间常数

0R R K n n = n n n C R =τ

从而得到转速调节器的电阻和电容值

第三章 模型参数测定和模型建立

3-1系统模型参数测定实验步骤和原理

双闭环直流调速系统

题目:双闭环直流调速系统的设计与仿真 已知:直流电动机:P N=60KW,U N=220V,I N=305A,n N=1000r/min,λ=2,R a=0.08, R rec=0.1, T m=0.097s, T l=0.012s, T s=0.0017s, 电枢回路总电阻R=0.2Ω。设计要求:稳态无静差,σ ≤5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调σn≤10%。(要求完 i 成系统各环节的原理图设计和参数计算)。 系统各环节的原理图设计和参数计算,包括主电路、调节器、电流转速反馈电路和必要的保护等,并进行必要的计算。按课程设计的格式要求撰写课程设计说明书。 设计内容与要求:1、分析双闭环系统的工作原理 2、改变调节器参数,分析对系统动态性能的影响 3、建立仿真模型

1.双闭环直流调速系统的原理及组成 对于正反转运行的调速系统,缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此,在起动(或制动)过渡过程中,希望始终保持电流(电磁转矩)为允许的最大值,是调速系统以最大的加(减)速度运行。当到达稳态转速时,最好使电流立即降下来,使电磁转矩与负载转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。实际上,由于主电路电感的作用,电流不可能突变,为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使 电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流,二者之间实行嵌套连接,如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器。从闭环结构上看,电流环在里面,称做内环;转速环在外面,称做外环。这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能,转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。 2.双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程,因此在分析双闭环调速系统的动态性能时,有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时,转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三

双闭环直流调速系统

双 闭 环 直 流 调 速 系 统 姓名: 学号: 专业:电气工程及其自动化 日期:2015年12月23日

摘要 直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差,从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 关键词:双闭环,转速调节器,电流调节器 双闭环直流调速系统的设计 双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接,且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值;电流调节器 ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE ,这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

双闭环调速系统课程设计

目录页 第一章绪论 (2) 1-1课题背景,实验目的与实验设备 (2) 1-2国内外研究情况 (3) 第二章双闭环调速系统设计理论 (3) 2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3) 2-2系统的静,动态性能指标 (4) 2-3非典型系统的典型化 (6) 2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7) 第三章模型参数测定和模型建立 (9) 3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9) 3-2模型测定实验的计算分析 (11) 3-3系统模型仿真和误差分析 (18) 第四章工程设计方法设计和整定转速,电流反馈调速系统 (22) 4-1 设计整定的思路 (22) 4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正,简化 (23) 4-3转速调节器的整定和转速环的校正,简化 (25) 4-4系统的实际运行整定 (27) 4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨…………………………………… 33 第五章设计分析和心得总结 (34)

5-1实验中出现的问题 (34) 5-2实验心得体会 (35) 第六章实验原始数据 (38) 6-1建模测定数据 (38) 6-2 系统调试实验数据 (39) 第一章绪论 1-1课题背景,实验目的与实验设备 转速,电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统,它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的,用传递函数建立动态数学模型,并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律,用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。转速,电流反馈控制的调速系统是一种串级系统,所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别,但又有不同于一般串级系统的。 本次实验的主要目的是针对一套调速系统(包括电源,电机,励磁回路等)建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数,投入运行。实验正值暑期实践及国际交流周,我们将用两周的时间来完成参数测定实验,系统建模,调节器整定和系统投入运行。 本次实验的实验设备包括:

双闭环直流调速系统设计及仿真

双闭环直流调速系统设计及仿真 一转速、电流双闭环控制系统 一般来说,我们总希望在最大电流受限制的情况下,尽量发挥直流电动机的过载能力,使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动,达到稳态转速后,电流应快速下降,保证输出转矩与负载转矩平衡,进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图1所示。 n n t 图1 转速调节系统理想起动过程 为实现在约束条件快速起动,关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律,要控制某个量,就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。起动过程中,电动机转速快速上升,而要保持电流恒定,只需电流负反馈;稳定运行过程中,要求转矩保持平衡,需使转速保持恒定,应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢?答案是采用转速、电流双闭环控制系统。如图2所示。 图2 双闭环直流调速控制系统原理图 参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识,采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。如图3所示。

图3 双闭环直流调速系统动态结构图 在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分,须加低通滤波,其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量,但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节,使给定信号与反馈信号同步,并可使设计简化。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,其时间常数用表示[2]。 二双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程,因此在分析双闭环调速系统的动态性能时,有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时,转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段,整个过渡过程也就分为三个阶段,在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。 第Ⅰ阶段:0~t1是电流上升阶段。突加给定电压后,通过两个调节器的控制作用,使、、都上升,当后,电动机开始转动。由于机电惯性的作用,转速的增长不会太快,因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值,强迫电流迅速上升。当时,,电流调节器ACR的作用使不再迅速增加,标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR一般应该不饱和,

双闭环直流调速系统

转速、电流双闭环调速系统 班级:铁道自动化091 姓名:陈涛 指导老师:严俊 完成日期:2011-10-31 湖南铁道职业技术学院

目录 摘要 (3) 一、直流调速介绍 (4) 1、调速定义 (4) 2、调速方法 (4) 3、调速指标 (4) 二、双闭环直流调速系统介绍 (5) 1、转速、电流双闭环调速系统概述 (5) 2、转速、电流双闭环调速系统的组成 (6) 3、PI调节器的稳态特征 (7) 4、起动过程分析 (8) 5、动态性能 (11) 6、两个调节器的作用 (11) 三、总结 (12)

摘要 随着近代电力电子技术和计算机的发展以及现代控制理论的应用,自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进,以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中,自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。 本文讲述的是转速、电流双闭环直流调速系统,通过学习使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、调速器的稳态特性和作用以及系统的动态特性有了一定的了解。该系统是在单闭环系统的基础上加以改进后完成的,通过对电力拖动自动控制系统的学习,我们里了解到转速、电流双闭环直流调速系统相对于单闭环调速系统的一些优势,它是通过转速反馈和电流反馈两个环节分别起作用的。 通过这次的学习,我懂得了很多,具有了通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力,在这次的论文中,我有一次重新学习了转速、电流双闭环直流调速系统,使我这一系统有了更进一步的了解。

转速、电流双闭环调速系统 一、直流调速介绍 1、调速定义 调速是指在某一具体负载情况下,通过改变电动据或电源参数的方法,使机械特性曲线得以改变,从而使电动机转速发生变化或保持不变。 2、调速方法 1.调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无 级平滑调速的系统来说,这种方法最好。变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。 2.改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒功率调速方 法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。 3.改变电枢回路电阻 <。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。 3、调速指标 1.调速范围(包括:恒转矩调速范围/恒功率调速范围),

双闭环直流调速系统

1引言 在工业生产中,许多生产机械为了满足生产工艺要求,需要改变工作速度:例如,金属切削机床,由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同,速度就不同。另外轧钢机,因为轧制品种和材料厚度的不同,也要求采用不同的速度。 生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得,但是机械设备的变速机构较复杂,所以在现代电力拖动中,大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节,在某一负载下人为地改变电动机的转速。 直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在较大范围内调速.在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快,然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,它是交流拖动控制系统的基础,所以应该很好地掌握直流调速系统。 目前,转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是,如果对系统的动态性能要求较高,单闭环系统就难以满足需要。所以需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统,本文着重研究其控制规律﹑性能特点和设计方法。首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成,接着说明该系统的静特性和动态特性,最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。 在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,首先要具有较高的机电能量转换效率;其次应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此,调速技术一直是研究的热点。

2双闭环直流调速系统介绍 2.1闭环调速系统的组成 根据自动控制原理,反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏差,它就会自动产生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差,显然,引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。 图2.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中,与电动机同轴安装一台测速发电机TG ,从而得出与被调量转速成正比的负反馈电压n U ,与 给定电压* n U 相比较后,得到转速偏差电压n U ,经过放大器A ,产生控制电压c U 输入到电 力电子变换器UPE 中,用来控制电动机转速n 。图中,UPE 是由电力电子器件组成的变换器,它的输入端接三相交流电源,输出为可控的直流电压d U 。 2.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成]2[ 采用PI 调节器组成速度调节器ASR 的单闭环调速系统,既能得到转速的无静差调节,又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看,他已基本满足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等,单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态,为了提高生产率,要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间,当然可用加大和过渡过程中的电流,即加大动态转矩来实现,但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾,可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起,可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流I 值以后,

双闭环控制系统设计

双闭环控制系统设计 课程设计报告 电力拖动自动控制系统课程设计 题目:双闭环控制系统设计学生姓名:董长青专业:电气自动化技术专业班级: Z070303 学号: Z07030330 指导教师:姬宣德 日期:2010年03月10日 随着现代工业的发展,在调速领域中,双闭环控制的理念已经得 到了越来越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中不能随心所欲地 控制电流和转矩的动态过程的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的 这一缺陷。 双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用,从而获得 良好的静,动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以 及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点,所以在此有 必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是 旨在对双闭环进行最优化的设计。 Summary With the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic

process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design. 一.课程设计设计说明书4 1.1系统性能指标 1.2整流电路4 1.3触发电路的选择和同步5 1.4双闭环控制电路的工作原理6 二. 设计计算书7 2.1整流装置的计算7 2.1.1变压器副方电压7 2.1.2变压器和晶闸管的容量8 2.1.3平波电抗器的电感量8 2.1.4晶闸管保护电路9 2.2 控制电路的计算10

双闭环直流调速系统工作原理

双闭环直流调速系统设计 内容摘要 电机自动控制系统广泛应用于各行业,尤其是工业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电.直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。有效地控制电机,提高其运行性能,具有很好的现实意义。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计,根据直流调速双闭环控制系统的工作原理以及介绍变频调速技术的发展概况,变频调速技术的发展趋势关键词:双闭环控制系统,转速控制环,系统现状,发展趋势 英文翻译:Electrical automatic control system widely used in various industries, especially in industry. Most of the production machinery used in these industries motor as a prime mover. Effectively control electricity. Dc motor has a good start, braking performance, adaptable to smooth speed regulation in large scale, in many need to speed or fast forward and reverse has been widely used in the area of electric drive. Effectively control motor, improve its operation performance, has the very good practical significance. I ntroduced in this paper, based on the engineering design to the design of dc speed regulating system, the working principle of the double closed loop control system of dc speed regulating and also I ntroduce the development general situation and the development trend Key words: double closed loop control system, speed control loop, th e status quo,the development of trend 一:引言 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备,是“四大运转设备”之一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点,且工作状况经常交替转换。 近几年,交流调速飞速发展,逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论,而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器,具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、

直流电机双闭环调速系统设计.

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言,直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式,电机自动控制系统广泛应用于机械,钢铁,矿山,冶金,化工,石油,纺织,军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机,提高其运行性能,对国民经济具有十分重要的现实意义。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术,在实际的拖动控制系统中,由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变,而是在某些具体场合会随工况发生改变;与此同时,电机作为被控对象是非线性的,很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性,使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼,不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标,常常使控制系统的鲁棒性较差,尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统,常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标,往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好,应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律,性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 20世纪90年代前的大约50年的时间里,直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交,为控制提供了便捷的方式,使得电动机具有优良的起动,制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战,但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性,优异的控制性能,高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠,精度最高的调速方法。 通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解,使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容,在对其各种性能加深了解的同时,能够发现其缺陷之处,通过对该系统不足之处的完善,可提高该系统的性能,使其能够适用于各种工作场合,提高其使用效率。并以此为基础,再对交流调速系统进行研究,最终掌握各种交、直流调速系统的原理,使之能够应用于国民经济各个

双闭环直流调速系统设计说明

第一章设计概述 一、课程设计的性质和任务: 本课程是电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程,培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力,帮助学生巩固、深化和拓展知识面,使之得到一次较全面的设计训练,为毕业设计和实际工程设计奠定基础。 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是一种典型的自动控制系统。这种调速系统只有两个调节器,即速度调节器(ASR)和电流调节器(ACR),两个调节器作串级连接,其中速度调节器的输出信号作为电流调节器的输入信号,从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。这种转速、电流双闭环调速系统,在突加转速给定信号的过程中表现为一个恒电流加速系统,而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统,因此各项性能指标较系统开环时提高许多。 本此课程设计的目的就是同学们在调试、设计一个典型的调速系统后,能够掌握自控系统调试、设计的方法,步骤及其调试原则,加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。 自控系统调试所遵循的原则: 先部分,后系统:即首先对系统的各个单元进行调试,然后再对整个系统进行调试。 先开环,后闭环:即首先进行开环调试,然后再对系统闭环进行调试。 先环,后外环:即首先对环进行调试(如在本此调试中就应先对电流环进行调试),然后再对外环进行调试(如本此调试中的速度环调试)。 本次系统调试是在DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行。整个调试完成后要求系统达到以下指标:

二、DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置简介 1 装置特点 (1)设计装置采用挂件结构,可根据不同设计容进行自由组合。 (2)装置连接线采用强、弱电分开的手枪式插头,两者不能互插,避免强电接入弱电回路,造成设备损坏。 (3)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离,分别设有电压型和电流型漏电保护装置,保护操作者的安全。 (4)挂件面板分为三种接线孔,强电、弱电及波形观测孔,三者有明显的区别,不能互插。 图2-1 DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置 2 装置技术参数 (1)输入:电压三相四线制,380V±10%,50Hz。 (2)工作环境:环境温度围为-5~40℃,相对湿度 < 75%,海拔高度 < 1000m。 (3)装置容量:<1.5kVA (4)电机输出功率:<200W 3 DJK01电源控制屏

双闭环直流调速系统(精)

直流双闭环调速系统设计 1设计任务说明书 某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为: 直流电动机:V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =,04.0=a R ,电枢电路 总电阻R=0.1Ω,电枢电路总电感mH L 0.3=,电流允许过载倍数5.1=λ,折算到电动机轴的飞轮惯量2 2 4.11094Nm GD =。 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ,滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数?? ? ??≈=N I V A V 5.11201.0β 电压反馈系数?? ? ??=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi == V U U U cm im nm 12===* *;调节器输入电阻Ω=K R O 40。 设计要求: 稳态指标:无静差 动态指标:电流超调量005≤i σ;空载起动到额定转速时的转速超调量 0010≤n σ。

目录 1设计任务与分析? 2调速系统总体设计...................................................................................................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计? 3.1晶闸管-电动机主电路的设计........................................................ 3.1.1主电路设计? 3.1.2主电路参数计算................................................................. 3.2转速、电流调节器的设计? 3.2.1电流调节器.................................................................. 3.2.1.1电流调节器设计? 3.2.1.2电流调节器参数选择........................................................ 3.2.2转速调节器.................................................................... 3.2.2.1转速调节器设计.............................................................. 3.2.2.2转速调节器参数选择.......................................................... 4计算机仿真.................................................................................................................................................. 4.1空载起动? 4.2突加负载........................................................................................................................................ 4.3突减负载 5设计小结与体会? 6参考文献.....................................................................................................................................................

双闭环直流调速系统精修订版

双闭环直流调速系统精 修订版 IBMT standardization office【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-

直流双闭环调速系统设计 1设计任务说明书 某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为: 直流电动机:V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =,04.0=a R ,电 枢电路总电阻R=0.1Ω,电枢电路总电感mH L 0.3=,电流允许过载倍数 5.1=λ,折算到电动机轴的飞轮惯量224.11094Nm GD =。 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ,滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数?? ? ??≈=N I V A V 5.11201.0β 电压反馈系数?? ? ??=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi == V U U U cm im nm 12===* *;调节器输入电阻Ω=K R O 40。 设计要求:

稳态指标:无静差 动态指标:电流超调量005≤i σ;空载起动到额定转速时的转速超调量0010≤n σ。 目 录 1设计任务与分析 ............................................................ 2调速系统总体设计 .......................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计 ............................................... 3.1晶闸管-电动机主电路的设计 ............................................... 3.1.1主电路设计 ............................................................ 3.1.2主电路参数计算 ........................................................ 3.2转速、电流调节器的设计 .................................................. 3.2.1电流调节器 ............................................................ 3.2.1.1电流调节器设计 ...................................................... 3.2.1.2电流调节器参数选择 ..................................................

双闭环直流调速系统的设计及其仿真

双闭环直流调速系统 的设计及其仿真 班级:自动化 学号: 姓名:

目录 1 前言?????????????????????????3 1.1 课题研究的意义??????????????????????3 1.2 课题研究的背景??????????????????????3 2 总体设计方案?????????????????????? 3 2.1 MATLAB 仿真软件介绍???????????????????3 2.2 设计目标????????????????????????? 4 2.3 系统理论设计?????????????????????? 5 2.4 仿真实验????????????????????????9 2.5 仿真结果???????????????????????10 3 结论???????????????????????12 4 参考文献???????????????????????13 1 前言 1.1 课题研究的意义 现代运动控制技术以各类电动机为控制对象,以计算机和其他电子装置为控制手段,以电力

电子装置为弱电控制强电的纽带,以自动控制理论和信息处理理论为基础,以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。直调调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言,直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式,在许多工业部门,如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。且直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义[1]。 1.2 课题研究的背景 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器, 电力电机技术的迅猛发展

运动控制系统双闭环直流调速系统

运动控制课程设计任务书 题目:双闭环直流调速系统设计 使用班级:电气081、082 设计内容 已知电机参数为:PN=500kW,UN=750V,IN=760AΩ,允许过载倍数λ=,触发整流环节Ks=75,Tl=,Tm=,调节器输入输出最大电压为10V,设计双闭环调速系统,达到最理想的调速性能。 主要设计内容包括:1、ACR、ASR调节器类型选择与参数计算。2、系统建模与仿真。3、调节器电路设计。4、主电路设计。5、反馈电路设计。6、触发电路设计。7、故障处理电路设计。 设计步骤 一、总体方案设计 二、参数初步计算。 三、控制系统的建模和MALAB仿真 四、根据仿真结果调整参数 五、主电路及控制电路设计 六、编写课程设计说明书,绘制完整的系统电路图( A3 幅面)。 课程设计说明书要求 1 .课程设计说明书应书写认真.字迹工稚,论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。 2 .论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切,并提出自己的见解和观点。 3 .课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容(按章节编写)、主要结论和参考书,附录应有系统方枢图和电路原理图。 4 .课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识

摘要 双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛,经济,适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,历来是自动控制系统的主要执行元件,在轧钢及其辅助机械、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切削机床、造纸机、纺织机械等领域中得到了广泛的应用。换向器是直流电机的主要薄弱环节,它使直流电机的单机容量、过载能力、最高电压、最高转速等重要指标都受到限制,也给直流电机的制造和维护添了不少麻烦。然而,鉴于直流拖动控制系统的理论和实践都比较成熟,直流电机仍在广泛的使用。因此,长期以来,在应用和完善直流拖动控制系统的同时,人们一直不断在研制性能与价格都赶得上直流系统的交流拖动控制系统,近年来,在微机控制和电力电子变频装置高度发展之后,这个愿望终于有了实现的可能。在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。并且随着电力电子器件开关性能的不断提高,直流脉宽调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。 关键词: 双闭环,晶闸管,转速调节器,电流调节器,MALAB仿真

直流双闭环调速系统

一、 设计要求 1.1已知条件 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下: 直流电动机:220V,136A ,1460r/min,r V C e min/132.0?=,允许过载倍数 5.1=λ; 晶闸管装置放大系数:40=s K 电枢回路总电阻: Ω=5.0R 时间常数:s T s T m l 18.0,03.0== 电流反馈系数:A V /05 .0=β 转速反馈系数: V min/V 007.0?=α 1.2设计要求 (1)设计电流调节器,要求电流超调量%5i ≤σ (2)要求转速无静差,空载起动到额定转速超调量%10n ≤σ 二、 理论设计 2.1电流调节器的设计 2.1.1确定时间常数 三相桥式电路失控时间取s T s 0017.0= 电流滤波时间常数取s T oi 002.0= 电流环小时间常数之和取s T T T oi s i 0037.0=+=∑ 2.1.2选择ACR 的结构 因为要求%5i ≤σ且 1011.8<=∑i l T T 所以设计成典I 系统,选择PI 调节器 2.1.3参数的计算 ACR 超前时间常数s T l i 03.0==τ

要求%5i ≤σ,选取I i K T =0.5 所以电流开环增益11.1355 .0-∑≈= s T K i I 则ACR 比例系数为013.1≈=β τs i I i K R K K 2.1.4计算电阻、电容 选取040R K =Ω则 1.0134040.52i i i R K R K ==?=Ω uF R C i i i 75.0== τ uF R T C i oi 2.040 0== 电流环的超调量i %=4.3%<5%σ满足要求 电流调节器原理如图所示。 βI d U ct U i * 电流调节器原理图 2.2转速调节器的设计 2.2.1确定时间常数 电流环等效时间常数s s T K i I 0074.00037.0221 =?==∑ 转速滤波时间常数on T =0.01s

双闭环直流调速系统

第一章 调速系统的方案选择 直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在宽范围内平滑调速,在许多调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的的应用。近年来,虽然高性能的交流调速技术发展很快,交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟,目前还在应用;而且从控制规律的角度来看,直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。 直流电动机的稳态转速可以表示为 (1-1) 式中:n ——转速(r/min ); U ——电枢电压(V ); I ——电枢电流(A ); R ——电枢回路总电阻(Ω); ——励磁磁通(Wb ); ——由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出,有三种调速电动机的方法: 1. 调节电枢供电电压U ; 2. 减弱励磁磁通; 3. 改变电枢回路电阻R 。 对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此,采用变压调速来控制直流电动机。 1.1 直流电动机的选择 直流电动机的额定参数为: 额定功率KW P N 67=,额定电压V U N 230=,额定电流A I N 291=,额定转速min 1450r n N =, 电动机的过载系数2=λ,电枢电阻Ω=2.0a R 1.2 电动机供电方案的选择 电动机采用三相桥式全控整流电路供电,三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小,带负载容量较大,其原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路的特点: 一般变压器一次侧接成三角形,二次侧接成星型,晶闸管分为共阴极和共阳极。

双闭环直流调速系统的设计

双闭环直流调速系统设计 一、系统组成与数学建模 1)系统组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接如下图所示。 L + - 图中,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再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;转速环在外边,称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用P I 调节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性,它们是按照电力电子变换器的控制电压U c为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。

2)数学建模 图中W ASR(s)和W ACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI 调节器,则有 s s K s W i i i ACR 1 )(ττ+= s s K s W n n n ASR 1 )(ττ+= 二、 设计方法 采用工程设计法 1、设计方法的原则: (1)概念清楚、易懂; (2)计算公式简明、好记; 双闭环直流调速系统的动态结构图

(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、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。 一般来说,许多控制系统的开环传递函数都可表示为 ∏∏==++= n 1 i i r m 1j j ) 1() 1()(s T s s K s W τ 上式中,分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点,或者说,系统含有 r 个积分环节。根据 r=0,1,2,……等不同数值,分别称作0型、I 型、Ⅱ型、……系统。 自动控制理论已经证明,0型系统稳态精度低,而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。 因此,为了保证稳定性和较好的稳态精度,多选用I 型和II 型系统。 三、 电流环设计 反电动势与电流反馈的作用相互交叉,给设计工作带来麻烦。 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,0≈?E 。 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 l m ci T T 1 3 ≥ω (3-45) 式中ωci ——电流环开环频率特性的截止频率。 图3-19 电流环的动态结构图及其化简 (a)忽略反电动势的动态影响 把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上,再把给定信号改成 ,则电流环便等效成单位负反馈系统。 ) (s W R (s ) C (s )

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