电气传动自动控制系统课程设计大学论文.doc

电气传动自动控制系统课程设计

学院：电气信息
专业：自动化
年级：2012级
小组成员：邓建儒 2012141441300
沙华 2012141441299
张政 2012141441326
陆啸 2012141441015
完成时间：2015年7月13日
指导教师：肖勇
直流双闭环调速系统设计
摘要：转速、电流反馈控制直流调速系统的设计主要是通过对直流双闭环调速系统中电流调节器（ACR）和速度调节器（ASR）的设计与调试，以达到给定系统静、动态性能指标。在实验中要通过实验装置中已有的参数来确定调节器的各个参数，在单元调试环节中，需要整定调节器ACR、ASR的运放输出限幅值，在系统调试环节中，需要对电流环和转速环进行整定。对于系统性能的测定，则需要对静态和动态性能分别做实验测试，在电压给定或者负载给定的情况下，分别对两种状态做性能分析。根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统；转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能，因为转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主，以此使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。然后按照确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。再对系统的启动过程进行分析，以了解系统的动态性能。之后，用Matlab软件中的Simulink模块对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。最后给出参考资料和总结。
关键词：直流双闭环调速系统、电流调节器（ACR）、速度调节器（ASR）、调试、动态静态性能指标

目录
第一章 ..............................任务描述
第二章 ..............................系统建模
第三章 ..............................系统设计
第四章 ..............................系统调试
第五章 ..............................系统评价

第一章 任务描述
一、设计目标：
（1）系统基本运行功能：通过测定实验装置的各项参数，确定调节器设计参数，将ASR、ACR接成PI调节器，调节各自的正负限幅电位器，以实现ASR、ACR的运放输出限幅值的整定。在系统调试阶段，可以通过对电流环和转速环的整定，实现系统性能测定。
（2）系统的基本运行功能性能指标：
静态：
动态：
（3）系统电路结构示意图

二、客观条件：
（1）使用设备列表清单：
实验装置：MCLⅢ型电力电子及电气传动教学实验台（浙江大学求是公司）、示波器、万用表、电感表、导线
（2） 主要设备功能描述：MCLⅢ型电力电子及电气传动教学实验台主要针对半导体变流技术、现代电力电子器件、现代电力电子器件的典型线路、直流调速系统（模拟部分）、直流调速系统（数字部分）、交流调速（模拟部分）、交流调速系统（数子部分）、针对研究生实验平台和教师提高实验内容。器件的研究主要是对GTR、MOSFET、IGBT、GTO的开关特性及其驱动电路、缓冲和保护电路研究。实验台的线路主要有Buck-Boost电路、开关电源、单相交流调压电路、全桥DC/DC变换、软开关、整流电路的有源功率因数提高等。系统则是直流脉宽调速系统（采用MOSFET）、交流变频调速系统（功率器件采用IPM智能功率模块）和直流方波无刷电机的调速系统（采用GTR模块,可扩展）。该实验台还设计了研发型实验内容，开放硬件环境和软件环境，可以允许学生在MATLAB环境下完成系统的控制算法的研究。在进行直流调速系统实验时，除可用常规的由运算放大器构成的PID调节器进行控制外，还可以和计算机相连，由上位机进行数字控制，并采集转速曲线和电流反馈信号。该实验台最新的由数字信号处理器（DSP）控制的高性能变频调速系统实验组件，采用高分辨率的编码器作为转速反馈元件，采用LEM传感器作为电流检测元件，既能完成SPWM和空间矢量的变频调速实验，又能进行磁场定向变频调速实验。同时，该实验组件可与计算机进行相连，通过计算机对调速系统的参数进行调节，对转速等动态波形进行分析。交流电源的输出不仅设计了过流保护功能，还在不同的触发电路加了高压保护，功率器件加了安全保护。为了不使强电信号加入弱电电路中，采用了不同的实验导线，使学生接线时高低压线路不会插错，而导致低压电路的损坏。
（3）小组成员任务清单：
①统筹：邓建儒
②操作：邓建儒、沙华、张政
③数据记录：
沙华：第一次实验的张政：第二次实验的
陆啸：第一次实验的
④数据处理：
邓建儒：计算、
，并对所有数据进行检验和修正
沙华：计算，并对部分数据进行检查和修正
⑤报告撰写：
邓建儒：第二、三、四、五章，总结、收获体会、参考文献
沙华：第一章
⑥仿真及图表绘制：邓建儒
⑦分析：邓建儒
⑧报告总体检查：邓建儒
第二章 系统建模
一、待测参数：
1.电动机： 电枢内阻 Ra ； 电势转速系数 Ce
2.整流电源： 等效内阻 Rn ； 放大系数 Ks
3.平波电感： 直流内阻 Rd
4.电枢回路： 总电阻 = Ra+ Rn+ Rd ；电磁时间常数 TL ；机电时间常数 Tm
二、系统固有参数测定实验内容
1、变流电源内阻Rn的测量
（1）实验原理：使用伏安法测量变流电源内阻Rn，电机静止，电枢回路外串限流电阻，固定控制信号Uct大小，匹配恰当的Ud和RΩ，在Id = 0.5A、1A工作点上测试。
电路原理图如下：

（2）原始数据

（3）数据处理

2、 电枢内阻Ra和平波电感内阻Rd的测量
（1）实验原理：( 伏安法 )电机静止，电枢回路外串限流电阻，固定控制信号 Uct 大小，Id ≈1A。考虑电枢电刷与换向片的接触电阻分布，使电枢处于三个不同位置（约对称）进行三次测量（URa，URd，Id），求 Ra ，Rd 的平均值
（2）原始数据

（3）数据处理

3、 电动机电势转速系数Ce
（1）实验原理：接通励磁电源，启动电机至空载运行；调节控制信号 Uct 大小，得到两组数据。
（2）原始数据

（3）数据处理

4、 整流电源放大系数Ks
（1）实验原理：电机静止，电枢回路外串限流电阻；分级调节控制信号Uct大小，并保持Id ≤1A；测量每一组Uct ，Ud，Id，数据应大于10组以上，测量上限不低于最大理想空载整流输出电压Ud0max；按 Ud0 = Ud+Id×Rn 作出电源输入-输出特性曲线；取线性段2~3段，求其斜率平均值得Ks
（2）原始数据

2.89
261
0.7
2.18
234
0.6
1.75
208
0.55
1.43
182
0.6
1.18
156
0.4
0.98
130
0.35
0.81
104
0.3
0.65
78
0.2
0.45
52
0.1
0.19
26
0.08
（3）数据处理
=

（4）图表

（5）Ks计算

5、 电枢回路电磁时间常数
（1）实验原理：断开电枢回路连线；使用电感表测量电枢回路总电感量 L
（2）数据记录

（3）数据处理

6、 电枢回路机电时间常数Tm
（1）实验原理：电机空载，突加给定，并使起动峰值电流达到系统设定最大电流Idm
记录id波形，由下列公式计算Tm。

从对积分:

（2）实验曲线图

（3）Matlab绘制的理想曲线图

（4）数据处理

三、 系统设计
一、系统理论设计内容
（一）系统传递函数结构图

（二）设计步骤
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全控整流电路，基本数据如下：
①直流电动机：
②晶闸管装置放大系数：
③电枢回路总电阻：
④时间常数：，
⑤电流反馈系数：
⑥转速反馈系数：
设计要求：①静态指标：；；②动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量
在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。由于典型Ⅰ型系统的跟随性能由于典型Ⅱ型系统，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能优于典型Ⅰ型系统，可按典型Ⅰ型系统设计电流环；转速环应按典型Ⅱ型系统设计。
（三）电流环的设计
（1）确定时间常数
①整流装置滞后时间常数：；
②电流滤波时间常数：
③电流环小时间常数：
（2）确定将电流环设计成何种典型系统
根据设计要求，而且，因此，电流环可按典型Ⅰ型系统设计
（3）电流调节器的结构选择
电流调节器选用PI型，其传递函数为：
（4）选择电流调节器参数
ACR超前时间常数：；
电流环开环增益：因为要求，故应取，因此

于是，ACR的比例系数为
（5）计算电流调节器的电路参数
电流调节器原理如图所示

按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：

（6）校验近似条件
电流环截止频率
①校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足。
因为，所以满足近似条件。
②校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足。
因为，满足近似条件。
③校验小时间常数的近似处理是否满足条件。
因为，满足近似条件。
（四）转速环的设计
（1）确定时间常数
①电流环等效时间常数为；
②转速滤波时间常数：
③转速环小时间常数：
（2）确定将转速环设计成何种典型系统
转速调节器必须含有积分环节，根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环
（3）转速调节器的结构选择
转速调节器选用PI型，其传递函数为：。
（4）选择转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则
ASR超前时间常数：
转速开环增益：
ASR的比例系数为：
（5）计算转速调节器的电路参数
转速调节器原理图如图所示

按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：

（6）校验近似条件
转速环截止频率
①校验电流环传递函数的近似条件是否满足。
现在，不满足简化条件。
②校验小时间常数的近似处理是否满足条件。
现在，满足近似条件。
③校核转速超调量。
当h=5时，；而，因因此，能满足设计要求
（五） 结果
（1） 电流调节器的晶闸管装置传递函数、反电动势对电流环影响、小时间常数都符合近似处理。
（2）转速调节器的电流环传递函数和转速超调量符合近似处理；小时间常数符合近似处理。

二、 基于Matlab仿真环境，对如下条件时系统的阶跃响应进行仿真：

U*=U*m时，负载Id = Id0(约IdN/10)；U*=U*m时，负载Id = Idm/2

（1）完整的系统仿真动态结构图

双闭环直流调速系统动态结构图

转速环结构图

电流环结构图
（2） 以理论设计结果为基础的ASR、ACR的参数设置界面
①ASR参数设置界面

②ACR参数设置界面

（3） 给出n、id的仿真动态波形
①电流调节器波形图：

②速度调节器波形图：

（4）通过仿真优化 PI 参数，得到系统调试的起步参数（Rn、Cn、Ri、Ci）

第四章 系统调试
一、调试步骤
1、单元调试
整定调节器ACR、ASR的运放输出限幅值
（1）将零速封锁器置于“解除”状态
（2）按调节器设计参数将ACR、ASR接成PI调节器
（3）选择调节器任意有效输入端，分别加入正负输入电压信号（任意大小）
（4）根据已知给定和Ks曲线测量数据，调试ASR、ACR的输入信号大小，并适当调节各自的正负限幅电位器（）直至输出电压为设定限幅值（ASR为，ACR为）
2、系统调试
①电流环整定：
（1）断开电机励磁电源——保持电机静止，电枢回路串联限流电阻并预置在最大值
（2）接通电源，再接通主回路电源，调节使增加，并配合电枢回路限流电阻使电流达到
（3）测量并调整电流反馈（FBC+FA）输出信号（即调整电流反馈系数）
（4）断开总电源，将电流反馈（FBC+FA）输出信号接入ACR输入端（“1”端），并完成电流环全部正确的连线
②转速环整定：
（1）完成系统剩余部分连线（包括速度换、电流环的完整连线）
（2）将测速装置输出信号接入速度变换器输入端（FBS的“1”“2”端），FBS的输出端分别接至ASR输入端“1”和DZS（零速封锁器）的“2”端；同时DZS的“1”端接入给定信号
（3）ASR的输入“2”端接给定信号，输出端接入ACR任意有效输入端
（4）接通电机励磁电源，切除电枢回路串联电阻
（5）将零速封锁器置于“封锁”状态
（6）加入给定，电动机启动后加入发电机负载，当时（系统最大给定），同步调节速度反馈系数和负载强度，以满足
③系统性能测定
（1）静态性能测试
在保证稳定性的条件下，在调速范围内，对应，并分别测量2条电动机静特性曲线（每条特性由空载点到额定负载点不少于6组数据），并核定系统稳态指标。
（2）动态性能
分别观测电机在空载和0.5倍额定负载时的最大阶跃响应，并以0.5倍额定负载时电枢电流和转速n暂态响应波形为动态性能评价依据，优化ACR、ASR的PI参数，使之满足最优化控制效果要求，记录、n的波形并计算
（3） 断电，记录ACR、ASR的最终整定PI参数值
二、原始数据
当时

1.1
1455
1.0
1456
0.9
1458
0.8
1459
0.7
1460
0.6
1461

当时

1.1
465
1.0
467
0.9
468
0.8
469
0.7
470
0.6
471

三、最终调试结果
（1）实验调试图

（2） 用Matlab绘制的理想曲线图

按所用运算放大器，各电阻和电容值计算如下：

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为： 满足性能指标要求。
第五章 系统评估
一、系统实际性能评价
实际实验的结果与理论和模型仿真得出的结果基本一致，在性能指标上，模拟出的结果与实际有一定的偏差，但在性能指标要求的范围之内。
二、系统误差分析
在本次试验中，可能导致误差的因素有：数据处理、人为因素。数据处理的误差表现在计算上的精确度不够；人为因素的误差表现在两个方面：一是操作人员调节器械时不稳，读数据不够准确；二是计算上可能出现人为的计算错误，导致结果大幅度偏离真实值。
三、必要的实验问题分析
本次实验问题主要出现在数据处理上，由于参数较多，计算各项参数时很容易混淆某一两个参数量，同时单位换算上也容易出错。在计算各参数时必须反复检查和校验，确保参数不出现明显的偏差。
总结
双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。
收获体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。实验不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。这次课程设计让我明白了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到过各种各样的问题，也发现了自己身上很多的不足之处，比如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，但我相信自己随着以后对知识的掌握越来越深刻，我会逐渐完善自己，减少失误，逐渐训练出好的工程能力。

参考资料：
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M] .北京：机械工业出版社
[2]王海英.MATLAB控制系统仿真与设计.北京：高等教育出版社