晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真毕业设计

晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真毕业设计
晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真毕业设计

2015届本科毕业设计

晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真

院(系)名称物理与电子信息学院

专业名称电气工程及其自动化(过程控制方向)学生姓名赵晓东

学号110544138

指导教师苗峰讲师

晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真

赵晓东

物理与电子信息学院电气工程及其自动化(过程控制方向)专业学号:110544138

指导教师:苗峰

摘要:电动机是一种将电能转换为机械能的动力装置,现已广泛应用于工业、农业、交通运输、国防工业等各个领域。而电动机的调速性能,对于提高产品质量、提高劳动生产率、节约电能等方面有着直接的决定性的影响。所以研究电机的调速控制的先进理论和技术,不仅满足工业生产的要求,而且能提高能源的利用率。

MATLAB是目前流行的控制系统仿真软件,使用MA TLAB软件对电机调速系统进行仿真设计和分析,有利于选择参数和设计的最合理的系统方案。

本文利用MATLAB软件中的Simulink工具箱,构建电机调速系统的仿真模型,对多种智能调速方法的仿真实现、性能分析和算法设计等方面进行了深入研究

关键词:晶闸管;双闭环;ASR;ACR;Simulink

Design and Simulation of thyristor Double Loop DC Speed Control

System

Zhao Xiao-dong

Physics and Electronic Information Electrical Engineering and Automation(Process Control

direction)

No: 110544138

Tutor: Miao Feng

Abstract: Now no one needs to control the speed of the device, and its production process on the speed performance have certain requirements. If the production process of the static load of slip running demanding, this time using the speed closed-loop system can reduce landing speed, can resist the load fluctuation to some extent. But the current and torque control loop system dynamic process can not be arbitrary, and if you want to improve the speed of system as high as possible, the key is to get the maximum period of electric current to maintain constant process, which must require the system to have a very speed and current Good regulation and control action. According to the system of feedback and control , the use of a physical quantity of negative feedback can keep this amount basically unchanged. after reaching steady state speed, speed and want only negative feedback, negative feedback will not allow current occurs, this problem can be solved using the speed and current two regulators were controlled. Finally, through the Simulink system ,analysis features dual-loop DC speed control system and make summary.

Key words: Thyristor; Dual-loop; Speed regulator; Current regulator; Simulink

目录

1 引言 (4)

1.1 直流电机调速系统的发展史 (4)

1.2 直流电机调速系统的研究现状 (5)

1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (7)

1.4 本设计的主要研究内容 (7)

2 双闭环直流调速系统理论分析 (8)

2.1 直流调速系统的调速原理 (8)

2.2 直流调速系统的性能指标 (9)

2.3 双闭环直流调速系统的组成 (13)

2.4 双闭环直流调速的工作过程和原理 (14)

2.5 双闭环直流调速系统的数学模型和静、动态性能分析 (15)

3 总体工程设计框图 (18)

3.1 单闭环直流调速系统的原理框图 (18)

3.2 双闭环直流调速系统的原理框图 (19)

4 调节器工程设计方法 (19)

4.1 调节器的设计方法 (19)

4.2 转速、电流调节器在调速系统中的作用 (20)

4.3 转速、电流调节器结构的确定 (21)

4.4 转速、电流调节器的设计和校验 (22)

5 单元模块设计 (25)

5.1 晶闸管元件的选择 (25)

5.2 整流变压器的设计 (26)

5.3 平波电抗器的计算 (27)

6 双闭环直流调速系统仿真 (29)

6.1 控制系统的仿真说明 (29)

6.2 系统的建模与参数设置 (29)

6.3 系统的仿真结论 (33)

7 结论 (33)

8 致谢 (34)

9 参考文献 (34)

1 引言

大约在20世纪90年代前50年内,由于直流电机优良的启动、制动和调速性

能。直流电机基本上成为唯一能实现高性能拖动控制的电动机,虽然这些年交流电机发展相当迅速,直流电动机也不断受到交流电机及其他类型电机的对比与竞争。但目前绝大多数变速运控系统和闭环位控系统仍将直流电机作为首要选择。直流电机控制具有很高的精确性、稳定性和较高的抗扰性能等优点,而且直流电机的发展理论也较为成熟,故如今直流调速非常可靠,它的应用也相当广泛。

直流电机经常被应用于电力机车、无轨电车等交通领域,机床、轧钢车等机械领域以及起重设备和经常启动并调速的电气传动装置当中。所以提高直流电机调速性能意义重大。对于调速系统而言,抗扰性能是体现系统稳定性的最重要指标,一是抗负载扰动,二个是抗电网电压扰动。而双闭环调速系统二者兼顾,它具有较为满意的调速性能和抗扰性能。根据多环控制系统的工程设计方法,运行过程中外环的响应会比内环慢,这也是多环控制系统设计的显著特点,虽然在一定程度上它是不利于快速性的,但是每个控制环本身都是稳定的,这样有利于对系统进行调试工作。

1.1直流电机调速系统的发展史

19世纪20年代,法拉第发明了第一台永磁电机之后,人们开始认识电机并逐步了解电机的基本概念和基本理论。第一次工业革命结束之后,第一台直流电机出现并经历了三个阶段,探索阶段、开发应用阶段和实用商品阶段。到1870年,第二次工业革命爆发使经济迅速发展,当时的社会迫切需要更加优质的直流电机进行工业生产。20世纪60年代末,晶闸管的出现,采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动系统中占据核心位置。随着电力电子技术与电子器件的发展,晶闸管系统显现出良好动态性能,大大提高了直流调速系统的可靠性、快速性和适用性。成为了很长一段时间第二十世纪内调速的主流。当今直流电机的发展是朝着基于微机控制的,具有精度高、大范围的全数字的直流调速系统。直流传动设备经历多年的应用与发展,能被广泛应用于工业生产,关键在于它可以用一个简单的方法实现更高的性能指标。很多直流传动系统属于高精度稳速系统,它的稳速精度可达五十万分之一,大范围调速系统的调速比超过1:11000,而且其实响应时间也得到大大的缩短,甚至低于几毫秒。

1880年之后的20年,直流电机广泛应用于工业领域,也是带动工业生产唯

一的电动机。1990年左右,交流笼型电动机问世,其结构简单,坚固耐用,在工业生产日益提高的年代发展迅速。在某些无需调速的工业要求当中,直流电机传动会被简单耐用的交流电动机所取代。然而随着工业革命对经济的推动作用,工业设备对电机的调速范围和静差率都有了一定要求,许多当代应用的变速传动系统,已经可以保持良好的稳定性和瞬态性能,而且在大大增加调速范围的同时也能实现连续无级的调速。直流调速技术不断得到提高和应用,其相关理论也渐渐成熟、完善、系统化和标准化,直流调速技术已经难以被取代,在PWM调速、精确高的电气传动系统中也是如此。由电机的机械特性理论方程上看,要想改变的电机的机械特性,一是改变电动机的参数,二是改变外加工电压,从而能转移电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电机的稳态运行速度发生改变,即人为方式或系统自动地改变直流电动机的转速,以满足工业生产的需求。

虽然直流电动机的运行和维护各方面仍存在缺陷,比如容量的限制、体积过大、成本过高、制造和维护繁琐等,但直流电机控制具有很高的精确性、稳定性和较高的抗扰性能是毋庸置疑的,而且直流电机的发展理论也相当成熟。所以就目前而言,直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式,被广泛应用于电力机车、无轨电车等交通领域,机床、轧钢车等机械领域以及起重设备和经常启动并调速的电气传动装置当中。

1.2直流电机调速系统的研究现状

一、采用晶闸管等新型电力电子器件

从1960年之后的10年间,主要是半控型为代表的电力电子器件问世并得到广泛应用,大多应用在相控电路和整流电路中。这样的整流方式与传统的汞弧整流方法相比,体积较小,可靠性较高,而且有着十分明显的节能效果(一般可节电20%左右,从中国的实际看,因风机的实际看,风机和泵类负载约占全国用电量的1/3,若采用交流电机调速传动,可节约20%以上,每年可节电400亿千瓦时),因此电力电子技术的发展也越来越受到人们的重视。所以这些相控和整流电路被十分广泛地用在电解、电镀、直流电机传动、发电机励磁应用当中。1970年之后全控型可关断晶闸管和功率晶体管出现了,这种全控型器件弥补了半控型

电力电子器件的不足,它的开关频率高,控制方式简单,逆导可关断晶闸管甚至兼具可关断晶闸管和快速整流二极管的各种功能。电力电子技术的应用领域被拓宽到一个新的高度,其中主要以逆变、斩波为中心作用于实现电能的输送和变换,如今在变频调速、开关电源、静止变频等电力电子装置已得到广泛应用。

目前电力电子器件正向耐高压,大功率,高频化和智能化方向发展,为电机控制系统的完善提供了硬件保证。智能功率模块的开发与应用,促使新型电动机自动控制系统的体积更小、精确度更高、应用更加广泛和可靠性更强。

传统直流电动机是采用晶闸管的相控方式,虽然这种方式在经济、可靠性上都能满足工业要求,但是它的相控方法复杂,在散热方面也有很高的要求。鉴于此,第二代电力电子器件之一的大功率晶体管应运而生。这种大功率晶体管是全控型器件,既能控制导通又能控制其关断,有良好的控制性能和稳定性能,晶体管脉宽调制(PWM)直流调速系统就是由大功率晶体管为基础构成的,由于大功率晶体管的优势使这种调速系统在直流传动中的使用愈来愈广泛。

二、采用现代控制理论技术

控制理论的发展经过三个阶段,最先是以线性为主的自动控制理论,发展到状态空间法为数学基础的现代控制理论,到后来的智能控制,主要解决多样性、非线性的控制问题。这些控制理论不仅能描述系统的外部特征,而且也能解释和展现系统的内部的状态变化从而从优的改变其性能。机械工程、电气工程以及控制科学与控制工程中涉及的大多数问题,都是通过用系统的相关理论来分析和解决的。现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的,它是人类在控制技术问题上的重大进步。而空间技术的发展也需要新的控制理论进行支撑,以更好处理宇宙火箭或人造卫星用较少的燃料和较短的时间精确地发射到预定轨道这样的控制问题。这类控制问题解决起来相当棘手,采用经典控制理论是很难达到目地。显现出自动控制控制论的局限性,它仅适用于单变量和定常系统,而现代控制理论在数学上可归结为多变量的微分方程问题,它是以矩阵论和线性空间理论作为理论基础,分析与设计控制系统。

1954年之后的10年内,美国学者R.E.贝尔曼创立了动态规划,并将其应用在控制过程当中,他的这些研究成果也处理了空间技术中很多复杂控制问题,并开创出一个新的领域:最优控制理论。R.E.卡尔曼和R.S.布什又在1960年建立

了卡尔曼-布什滤波理论,把控制理论的研究范围扩大化(包括了更为复杂的控制问题),同时有效地考虑到随机噪声对控制问题的影响。同一年贝尔曼、卡尔曼为代表的美国研究人士把状态空间法系统地引进到控制理论当中。他们所提出的状态空间法起到了关键作用,通过矩阵基础直观的认识了控制系统的许多重要特性,主要是能控性和能观性的把握,这两个特性也成为控制理论两个最基本的概念。到最后一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的原理和方法确立起来,这也标志着现代控制理论的形成。

近年来,现代控制理论也越来越成熟和完善,其中有两个主要方面使现代控制理论在电动机控制系统上的应用有非常美好的发展前景。

第一:高性能处理器的应用与发展。

第二:辨识技术的发展。参数估值以及控制算法相关理论和方法逐渐成熟,使现代控制理论的应用可得到很好的调节效果。

三、采用总线控制技术

现场总线,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,它在制造行业、流程工业、楼宇建筑等领域有着广泛的发展前景。

现代电动机自动控制系统在硬件结构上有望朝着总线化方向发展,所以电机的控制也可通过总线控制进行实现,总线化可使各种电动机的控制系统得到良好的控制效果,这也是现代电机调速的另一种发展方法。

1.3研究双闭环直流调速系统的目的和意义

采用转速、电流双闭环直流调速系统能获得较为满意的的调速效果。它也是应用最为广泛的直流电机调速系统,各种直、交流电力拖动自动控制系统都将其相关的控制方法、性能优点和设计方法作为重要理论依据,学生研究该题的目地如下:

第一:掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本工作原理及动态特性。

第二:在建立该系统动态数学模型的基础上,从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。

第三:研究一般调节器的工程设计方法。同时与自动控制理论的动态校正方法进行对比,总结出设此计方法的优势。

第四:应用工程设计方法处理双闭环调速系统中两个调节器的设计问题。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统工作原理的学习,使我们能够掌握双闭环调速领域涉及到的相关内容和调速方法,掌握学习影响直流调速的各种因素,只有这样才能做好系统设计的仿真工作,设计和调节参数使系统尽量达到稳定状态,从而达到锻炼自己发现系统的缺陷之处的能力,然后努力完善系统的缺陷,使系统的具有良好的调节性能,提高其使用效率尽量使系统适用于各种工作场合。努力掌握各种直流调速的工作原理和调速方法,有所倾向的学习与研究,使其向适应于国民经济各个生产领域的方向发展。

1.4本设计的主要研究内容

本设计从直流电机的调速原理开始学习,并建立双闭环直流调速系统的数学模型,详细分析系统的工作原理和动态特性。最后依据运动控制系统理论,对与双闭环调速系统相关的设计参数进行分析和确定,再通过Simulink模块对双闭环调速系统进行仿真,依据仿真结果再对系统相关参数进行整定,使系统达到最优状态。

本文主要的课题内容:

1.掌握直流电机的工作原理及应用;

2.设计双闭环直流调速系统;

3.建立数学模型,计算相关设计参数;

4.进行数字仿真,验证其设计的合理性;

5.完成相关实验,分析结果并得出结论。

2 双闭环直流调速系统理论分析

2.1直流调速系统的调速原理

良好的起、制动性能是直流电动机最显著的特点,而且能实现大范围内平滑调速,目前基于晶闸管控制的直流电动机调速系统(即V-M控制系统)是应用

较广泛的电力传动自动化控制系统,它在理论上愈来愈完善,实践上也愈来愈成熟。就闭环控制系统而言,它是学习交流调速系统的理论基础。所以掌握直流调速系统部分非常重要,由直流电机的基本工作原理,它的机械特性方程如下:

Φ-=e K IR

U n 式中 n ——电动机转速;

U ——电枢供电电压;

I ——电枢电流;

R ——电枢回路总电阻,单位为Ω

e K ——由电机机构决定的电势系数。

可知直流调速方法有三种:

(1)改变电枢回路电阻R ;

(2)改变电动机主磁通Φ;

(3)调节电枢供电电压U ;

对比上述三种直流调速方法,其中改变电阻调速,优点是系统结构简单,但是它的不足也很多。比如它的调速效率不高,目前应用场合也很有限,而且只能实现有级调速,大多适用于小功率直流电机、开环控制当中,在电动玩具、一些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统也有应用。弱磁调速的优点是能实现平滑调速,缺点是范围不大,几乎不单独使用,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围升速。然而调节电枢供电电压的调速方法最好,在一定范围内能够实现大范围无级平滑调速,因此自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速和弱磁调速配合使用。

2.2 直流调速系统的性能指标

根据生产机械的各种类型,提出转速控制系统的三个基本要求调速、稳速、加减速。根据调速很稳速又提出两个调速指标,“调速范围”和“静差率”,二者合称为调速系统的稳态性能指标,也可称为静态性能指标。为了更好的定量分析,电力传动自动控制系统是在最高转速和最低转速范围内调节转速,这样直流

静态性能指标的讨论才有实际意义,并且强调在不同的转速工作时,速度要求处于稳定,而动态性能指标要求系统既有良好的启、制动性能,又要有良好的抗扰动能力。其中抗扰性能是指系统以某一转速稳态运行时,在负载变化或电网电压波动等因素的影响下能尽快恢复给定要求的运行状态。

一、静态性能指标

1) 调速范围

生产机械要求额定负载运行时,电动机提供的最高转速与最低转速

(对于负载很轻的机械,可用实际负载时的最高和最低转速)的比值称调速范围,用字母D 表示:

min max n n D =

(2—2)

2) 静差率 静差率是用来表示负载转矩变化时,衡量调速系统转速稳定度的。用字母s 表示。当系统在某以转速下工作时,电动机的负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落与理想空载转速之比,表达式如下:

%100%100000?-=??=

n n n n n s ed ed (2—3) 由此可得,机械特性越硬,那么

越小,静差率就越小,转速就越稳定。 然而静特性又区别于机械特性。对于图2—1中不同转速下的静特性曲线,它们的转速降落相等,但空载转速,因此由静差率公式可知。

若只有10r/min ,降落10r/min 后,电动机就停止转动,转速全都降落完了。在100r/min 时也降落10r/min ,就占10%;而在1000r/min 时降落10r/min ,只占1%,此时系统仍存在较大转速。由此说明平行的多个机械特性中,空载速度越高静差率越小,转速就越稳定,当然,对一个调速系统而言,若静差率s 能使最低转速下系统转速达到稳定,那么,较高转速时静差率也必然能满足要求。

图2—1 不同转速下静特性曲线

实际上,调速范围和静差率这两项指标并不是没有任何联系,二者必须同时提才有实际意义。一个调速系统的调速范围是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围,所以在没有静差率的限制下,任何调速系统都无法得到确定的调速范围,反过来也如此

二、动态性能指标

机械设备及相关生产工艺对控制系统的动态性能指标有很高的要求,自动控制系统的动态性能指标大致包括两方面,一是对给定信号的跟随性能指标,二是对扰动输入信号的抗扰性能指标,下面分别对二者进行叙述。

一、跟随性能指标

在给定信号(或参考输入信号)R(t)的作用下,系统输出量C(t)的变化情况会随着输入的变化而变化,可用跟随性能指标来描述,它的特征就是服从给定,紧紧跟随给定。通常输出量的初始值为零,将阶跃信号作为给定信号输入,这时系统的动态响应称为阶跃响应。通常情况在阶跃响应中尽量做到输出量c(t)与其稳态值的差值越小越好,达到输出稳态的时间越短越好。下述就常用的阶跃

响应跟随性能指标做出叙述。

1)上升时间

图2—2为单位阶跃响应曲线图,在上面论述的阶跃响应跟随过程中,输出量从零从第一次上升到稳态值 c所需要的时间定义为动态响应的上升时间,它的大小代表着系统动态响应的快速性,该值越小表示系统的响应速度越快。

图2—2单位阶跃响应曲线图

2)超调量

在典型的阶跃响应跟随过程中,系统在峰值时间取得的输出值与最终稳态值之比叫做超调量,用百分数表示如下式:

%100%max ?-=

∞∞c c c σ (2—4) 超调量的大小代表系统的相对稳定性,超调量百分数越小表示系统的输出响应越稳定,系统的输出在干扰作用下变化越小。

3)调节时间

调节时间代表系统响应过程的快慢,反映系统的快速性,通常这个值越小越好。线性控制系统中,当时系统的输出才会真正保持稳定,但实际系统运行过程中往往存在众多非线性等因素,过渡过程只有有限的一段,因此阶跃响应曲线的稳态值一般取附近的范围,图2—2中,调节时间即为以响应曲线达到并不超出规定的误差允许范围所需的最短时间。

二、抗扰性能指标

调速系统处于稳态运行过程中,突加负载后阶跃响应的动态过程的变化情况作为系统的抗扰过程,由此定义抗扰动态性能指标,如图2—3抗扰性能指标包括两点,一是动态降落,二是恢复时间。下面作详细叙述:

1)动态降落

转速处于稳定状态时,突加一定量的扰动(如额定负载扰动)后引起转速的最大降落值称为动态降落,即扰动后系统的最大降落值与最终输出稳

态值之比的百分数。动态降落后经过系统调节作用输出量逐渐恢复,达到新

的稳态值,是系统在该扰动作用下的稳态误差,稳态误差总

是低于动态降落的。

2)恢复时间

从突加一定量的负载扰动开始,到输出量基本上恢复到稳定状态,距新稳态值之差进入某基准量的范围之内所需的时间,定义为恢复时间,其中是比稳态值更小的基准值。

事实上大多数控制系统的动态性能指标的标准不尽相同,需要具体问题具体分析,必须由机械生产的具体要求来确定。通常而言,随动系统的动态指标以跟随性能为主,调速系统的动态指标以抗扰性能为主。本次设计是一个自动调速系统,调节器的参数整定在仿真调试过程中要以抗扰效果为主。

图2—3突加扰动的动态过程

2.3双闭环直流调速系统的组成

闭环调速系统设计两个调节器,便可实现转速和电流两种负反馈分别起作用。观察下图,两个调节器按一定规则进行串级联接,把转速调节器的输出作为

电流调节器的输入,再将电流调节器的输出来控制晶闸管整流器的触发装置,转速调节器调节器和电流调节器的输出都是带限幅作用的,其中转速调节器ASR的输出限幅电压,这个限幅电压值决定了电流给定电压的最大值,而电流调节器ACR 的输出限幅值,限制了电力电子变换器的最大输出电压。由闭环调速系统的结构可知,双闭环由内环和外环两部分组成,其中电流调节环称为内环,转速调节环称为外环,这样就构成简单的转速、电流双闭环调速系统。

本次设计的双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR都采用PI调节器。因为PI 调节器存在积分作用,只要存在偏差,积分作用就会一直存在直到偏差消除,这样可使系统实现无静差式调节,而比例调节器是即时作用,检测到偏差的存在,系统会立即向着减少偏差的方向发展,这样就提高了系统的快速性。总之,PI 调节器作为控制器时既能实现快速响应,又能实现无静差调节。由此,良好的静态性能和动态性能都兼而有之,基本达到调速系统要求以稳、准、快的特点,能使调速系统得到良好的调速效果。所以,本次设计中双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR采用PI调节器即可。

图中:U*n、U n—转速给定电压和转速反馈电压

U*i、U i—电流给定电压和电流反馈电压

ASR—转速调节器

ACR—电流调节器

TG—测速发电机

TA—电流互感器

UPE—电力电子变换器

闭环调速系统设计两个调节器,便可实现转速和电流两种负反馈分别起作用。观察上图,两个调节器按一定规则进行串级联接,把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再将电流调节器的输出来控制晶闸管整流器的触发装置,由闭环调速系统的结构可知,双闭环由内环和外环两部分组成,其中电流调节环称为内环,转速调节环称为外环,这样就构成简单的转速、电流双闭环调速系统。

2.4双闭环直流调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理:电动机启动之后,电动机的实际转速大小或两端电压小于给定值,这样给定信号值和反馈信号值就存在偏差,使速度调节器的输入端存在一个差值信号,经信号放大器的作用使输出的电压值保持在限幅值左右,速度调节器处于开环,速度调节器的输出电压作为一个固定给定值作为电流调节器的输入,则此时最大电流给定值作为电流调节器的输入,并输出移相信号,对应输出直流电压和电流都会上升,直到与最大给定值相一致,可改变速度调节器的输出限幅值来改变电动机的最大电流,同时电动机会以最大电流恒流加速启动。

在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,两个调节器都会退出饱和状态,闭环调节发挥作用。强加负载扰动时,速度调节器输入端产生的偏差信号会迫使ACR、ASR来改变触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压发生改变,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数,还能抗电网电压扰动,可以在电动机转速还没受到影响的时候,很快将电流值调整为设定值,由此可使速度能够更好的稳定在某一转速下。

2.5双闭环直流调速系统的数学模型和静、动态性能分析

双闭环直流调速系统数学模型的确定与可控硅触发器和整流器都有关系,全控式整流电路在稳定状态下,触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为:

)cos(cos 220ct a KU AU AU U ==α

其中:A —整流器系数

2U —整流器输入交流电压

α —整流器触发角

ct U —触发器移项控制电压

K —触发器移项控制斜率

整流和触发是余弦关系,工程应用时习惯将触发与放大环节近似为线性环节,放大系数用K 表示:。

绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下:

图2—4 双闭环直流调速系统的动态结构框图

一、系统静特性分析

PI 调节器的稳态特征是分析系统静态特性的关键因素,调节器一般存在两种状态:饱和状态和不饱和状态。调节器达到饱和,则输出为一个定值,输出不再受输入量变化影响,除了出现个反向输入信号导致调节器退出饱和状态,就是说,调节器达到饱和可以断开输入与输出的连系,无联系即相当于调节环处于开环状态,而调节器不饱和,PI 调节器的作用会使输入偏差电压ΔU 在稳态时总保持为零。

通常,正常运行状态,为了保持电路安全,电流调节器一直都处于不饱和状态。然而,对于静特性而言,只有转速调节器有饱和与不饱和两种状态。1.转速调节器不饱和

该情况下,转速、电流调节器都不饱和,稳态后,它们的输入偏差电压都为零。如下式:

由第一个关系式可得:

由式可知图2-6所示静特性曲线的CA段所代表的意义,又因ASR不饱和,

可知,可推断CA段静特性从理想空载状态直到。但是

通常都不小于额定电流,这就是静特性的运行段,由图也可观察它就是一

条水平的特性。

2.转速调节器饱和

转速调节器输出达到限幅值,相当于转速外环断开,系统不再受转速变化的影响,双闭环系统变成了无静差的单闭环电流调节系统,稳态状态时电流值:

其中,最大电流取决于电动机允许的过载能力和拖动系统可容的加速度

最大值,由上式可得静特性的AB段是一段垂直特性。上述的下垂特性只适合于时,因为若,则,ASR将会退出饱和状态,使系统不稳定。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于,系统的转速是无静差的,此

时起主要调节作用的是转速负反馈,但负载电流达到时,转速调节器会饱和

输出,此刻起主要作用的将是电流调节器,系统的电流表现为无静差调节,这样过电流时会自动调节使系统保持安全,这便是利用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的结果。但是事实上,运算放大器的开环放大系数永远达不到无穷大,所以,表示静特性的两段实际曲线与理论值存在一个很小的偏差,如下图

2—6中的虚线图。

图2—6 双闭环直流调速系统的静特性

二、系统的动态性能分析

1、双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点:

(1)饱和非线性:当转速调节器处于饱和与不饱和状态时,系统在不同的状态下会有相应的变化,不同的状况表现为不同形式的线性系统,这时要采用分段线性化的方法来分析,不能简单的用经典控制理论来笼统的设计这样的控制系统。

(2)转速超调:转速调节器采用PI调节器,那么转速必然有超调,实际上PI控制的所有自动控制系统都允许转速有很小的超调,对于完全不允许超调的情况,应采用其他控制器进行控制。

(3)准时间最优控制:在设备允许条件下实现最短时间内的控制称为“时间最优控制”,对于电力拖动系统,在电动机允许过载能力限制下的恒流起动,就是时间最优控制。利用饱和非线性的控制方法,用来实现准时间最优控制,这是非常具有实用价值的控制策略,并且在各种多环控制中都有应用。

2、双闭环调速系统动态抗干扰性能分析:

事实上,双闭环调速系统的动态性能非常好,特别是抗扰性能,要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的表现最为突出。

1.抗负载扰动

根据双闭环直流调速系统的动态结构图可观察,负载扰动一般加在电流环之后,故只能靠转速调节器ASR来抵抗负载的扰动。所以在设计转速调节器时,必

须使其具有较好的抗扰性能。

2.抗电网电压扰动

电网电压变化也会对转速产生波动。在双闭环调速系统中,由于电流内环的作用,电压波动可以通过电流反馈的作用很快得到调节,不至于它影响到转速以后才进行反馈调节,如此这样,抗扰性能得到大大改善。故在双闭环调速系统中,电网电压扰动波动对转速的影响小很多。

3 总体工程设计框图

3.1单闭环直流调速系统的原理框图

单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机,引出与转速成正比的电压与给定电压比较后,得偏差电压,经放大器,产生触发装置的控制电压,用以控制电动机的转速,如图3-1所示。

图3-1 单闭环直流调速系统的原理框图

3.2双闭环直流调速系统的原理框图

图3-2 双闭环直流调速系统的原理框图

由上述图3-2可看出,给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用,系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环;转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环,称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环,故称电流环为内环,转速环为外环。在电路中,ASR和ACR串联,即把ASR的输出当做ACR的输入,再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器,且转速和电流都采用负反馈闭环。

4 调节器的工程设计方法

4.1调节器的设计方法

为了保证转速发生器的高精度和高可靠性,系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题:

1. 保证转速在设定后尽快达到稳速状态;

2. 保证最优的稳定时间;

3. 减小转速超调量。

为了解决上述问题,就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计,以满足系统的需要。

建立调节器工程设计方法所遵循的原则是:

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,同样给出简明的计算公式;

5.适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。

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

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、

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

直流电机双闭环调速系统设计要点

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊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

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

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

双闭环直流电机调速系统设计参考案例

《运动控制系统》课程设计指导书 一、课程设计的主要任务 (一)系统各环节选型 1、主回路方案确定。 2、控制回路选择:给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节,调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式(须对以上环节画出线路图,说明其原理)。 (二)主要电气设备的计算和选择 1、整流变压器计算:变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。 2、晶闸管整流元件:电压定额、电流定额计算及定额选择。 3、系统各主要保护环节的设计:快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。 4、平波电抗器选择计算。 (三)系统参数计算 1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。

2、转速调节器ASR 中n n R C 、 计算。 3、动态性能指标计算。 (四)画出双闭环调速系统电气原理图。 使用A1或A2图纸,并画出动态框图和波德图(在设计说明书中)。 二、基本要求 1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理,了解工程设计的基本方法和步骤。 2、熟练掌握主电路结构选择方法,主电路元器件的选型计算方法。 3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。 4、掌握触发电路的选型、设计方法。 5、掌握同步电压相位的选择方法。 6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。 7、掌握电气系统线路图绘制方法。 8、掌握撰写课程设计报告的方法。 三、 课程设计原始数据

有以下四个设计课题可供选用: A 组: 直流他励电动机:功率P e =1.1KW ,额定电流I e =6.7A ,磁极对数P=1, n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =2.34Ω,主电路总电阻R =7Ω,L ∑=246.25Mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和),K s =58.4,机电时间常数 T m =116.2ms ,滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ,过载倍数λ=1.5,电流给定最大值 10V U im =*,速度给定最大值 10V U n =* B 组: 直流他励电动机:功率P e =22KW ,额定电压U e =220V ,额定电流I e =116A,磁极对 数P=2,n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =0.112Ω,主电路总电阻R = 0.32Ω,L ∑=37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和),电磁系数 C e =0.138 Vmin /r ,K s =22,电磁时间常数T L =0.116ms ,机电时间常数T m =0.157ms , 滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ,过载倍数λ=1.5,电流给定最大值 10V U im =*,速度给定最大值 10V U n =* C 组: 直流他励电动机:功率Pe =145KW ,额定电压Ue=220V ,额定电流Ie=733A,磁极对数P=2,ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.0015Ω,主电路总电阻R =0.036Ω,Ks=41.5,电磁时间常数TL=0.0734ms ,机电时间常数

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

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