运动控制课程设计 三闭环控制系统

《控制系统设计》

课程设计报告书

题目：带电流变化率内环的三环直流调速系

统设计与实践

学院：信息工程学院

专业：自动化

学生姓名：陈臻誉

学生学号： 2012550413

组员姓名：张凯林

完成时间： 2015年7月

指导教师：李辉

成绩评定：

目录

一、选题背景 (3)

二、题目要求 (3)

2.1设计目的 (4)

2.2 设计内容 (4)

2.3设计要求 (5)

2.4电机拖动控制系统设计与仿真 (5)

三、方案论证 (5)

四、过程论述 (6)

4.1电流调节器设计 (6)

4.1.1确定时间常数 (6)

4.1.2选择电流调节器结构 (7)

4.1.3计算调节器电阻和电容 (8)

4.2速度调节器设计 (8)

4.2.1计算转速调节器参数 (8)

4.2.2计算调节器电阻和电容 (9)

4.2.3校核转速超调量 (9)

五、结果分析 (10)

5.1利用MATLAB 仿真软件系统建模及仿真实验及实验结果 (10)

双闭环仿真实验 (10)

5.1.2双闭环调速系统调节参数 (11)

5.1.3双闭环系统仿真模型 (13)

5.1.4仿真波形分析 (14)

5.2三闭环仿真实验 (16)

波形结果 (18)

六、课程设计总结 (19)

七、参考文献 (20)

带电流变化率内环的三环直流调速系统设计与实践

一、选题背景

本课题为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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，形成转速、电流双闭环调速系统。

采用PI调节的单个转速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。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

I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

dm

以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。但是电流的超调太大,影响电机,导致电机转矩波动过大,容易损坏生产设备,利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环。用电流变化率内环可以抑制电流的变化,使电流趋于平缓,通过系统建模和仿真，用MATLAB/Simulink 工具分析设计直流电动机速度控制系统。

二、题目要求

自拟控制系统性能指标的要求，调速范围、超调量、动态速降、调节时间、抗扰性能等。设计系统原理图，电流环的设计，转速环设计、电流变化率内环设计，完成元器件的选择，计算选择合理调节器参数，并进行仿真或实验验证系统合理性。

2.1设计目的

1．通过对一个实用的带电流变化率内环的三环直流调速系统的设计、安装、调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升，使学生获得控制技术工程的基本训练。

2．通过系统建模和仿真，掌握用MATLAB / Simulink工具分析设计直流电动机速度控制系统的方法。

3．进一步掌握各种直流调速系统的性能，尤其是动态性能。

2.2 设计内容

1．理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带电流变化率内环

基本原理，解决积分调节器的饱和非线性问题；采用工程设计方法设计一个带电压内环的三环直流调速系统(含主电路和控制电路,选择的元器件，系统的电气原理图)。

2．仿真实践：根据所设计系统，利用MATLAB/Simulink建立各个组成部分相应的数学模型，并对系统仿真模型进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。

3．动手实践：根据所设计系统，完成单元电路安装、系统组装、单元及系统调试（可利用实验台的某些挂件），得出实物实验波形和系统动、静态性能。

4、设计要求

技术参数：

⑴直流电动机：直流电动机：额定功率 8KW，额定电压 220V，额定电流 2A，GD2=5.3N.m额定转速1600r/min，C e =0.118Vmin/r，允许过载倍数λ =1.5；

⑵晶闸管装置放大系数：K

S

=30；

⑶电枢回路总电阻：R=3Ω；

⑷时间常数：机电时间常数 T m =0.1s，

电磁时间常数：L=1.46U

2/I

dmin

=1.46*132.8/(0.1*4) = 482 mH； T

L

= L/R

= 482*10-3/3=0.16S

⑸电流反馈系数：β=1.5 V/A（10V/I

nom ～10V/1.5I

nom

）；

⑹转速反馈系数：α=0.0055Vmin/r（10V/n

nom ～10V/1.5n

nom

）；

⑺反馈滤波时间常数:T on =0.02s，T oi =0.002s；；

⑻电流变化率di/dt =10I

nom

/s

其它未尽参数可参阅教材中“工程设计方法举例”的有关数据。

先设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环，观察电流变化的快速性变化。电流变化率内环，一般采用积分调节器。

2.3设计要求

⑴调速范围D=10，静差率S ≤ 5％；稳态无静差，电流超调量σ

i

≤ 5%,

电流脉动系数S

i ≤ 10％；启动到额定转速时的转速退饱和超调量σ

n

≤ 10％，

空载起动到额定转速时的过渡过程时间t

s

≤0.5s。

2.4电机拖动控制系统设计与仿真

根据所提供电动机参数，画出带电压内环的三环直流调速系统结构图，根据电流超调量、转速超调量等指标，用工程设计方法决定转速调节器、电流调节器和电流变换率调节器结构与参数，并对该调速系统进行simulink仿真。

三、方案论证

根据所给出的参数及要求选择了电流转速双闭环加上电流变化率内环，实现三闭环调速。要求符合直流电动机：额定功率 8KW，额定电压 220V，额定电流 2A，GD2=5.3N.m额定转速1600r/min，C e =0.118Vmin/r，允许过载倍数λ =1.5等条件。

按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计电流变化率内环）。

在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和

调试方便，达到本课程设计的要求。 双闭环直流调速系统的结构框图:

四、过程论述

4.1电流调节器设计

4.1.1确定时间常数

(1) 整流装置滞后时间常数s T 。按书[]1表1-2，三相电路的平均失控时间：

s T =0.0017s （3-1）

(2) 电流滤波时间常数oi T 。

oi T =0.002s （3-2）

(3) 电流环小时间常数之和i T ∑。按小时间常数近似处理，取为：

i T ∑=s T +oi T =0.0037s (3-3）

图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图

U *n α

U c -I dL

n

U d0 U n

+ - -

β

+

- U i

W ASR (s

W ACR (s)

K s

T s

s +1 1/R T l s+1

R T m s

U *i

I d

1/C e +

E

4.1.2选择电流调节器结构

根据设计要求i

σ≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流

调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 电流调节器，它的传递函

数为：

)(s W ACR =(1)

i i i K s s

ττ+ （3-4） 检查对电源电压的抗扰性能：

24.430037.016.0==∑i l T T （3-5）

符合典型I 型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。

计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

i τ=l T =0.16s 。 （3-6）

电流环开环增益：要求i

σ≤5%是按书[]1

表2-2，应取I i

K T

∑=0.5，因此：

13.1350037

.05

.0==

i K （3-7）

于是，ACR 的比例系统为：

22.2==

KsR

K Ki i i β

τ （3-8）

校验近似条件

电流环截至频率：

63.74==ci I K ω （3-9）

晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：

111196.1330.0017ci s s T ω-==>? （3-10） 忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：

1111394.8730.010.1ci m l s T T s s

ω-=?=

11113180.830.00170.002ci s oi s T T s s

ω-=?=>? （3-12）

4.1.3计算调节器电阻和电容

按所用的运算放大器取得040R K =Ω。 各电容和电阻值为：

R R K i

i =

、i i i C R =τ、oi oi C R T 041= （2-13）

Ri=40k Ω （2-14）

按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为

i σ=4.3%<5%,满足课题所给要求。

4.2速度调节器设计

确定时间常数

(1)电流环等效时间常数1/I K 。取i I K T ∑=0.5，则：

0134.00067.021

=?=I

K （3-15） (2)转速滤波时间常数on T 。根据所用测速发电机波纹情况，取：

on T =0.005s 。 （3-16）

(3)转速环小时间常数n T ∑。按小时间常数近似处理，取：

0184.01

=+=

∑on I

n T K T （3-17）

选择转速调节器结构

按设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为：

n n ASR(s)n K (s+1)

W =

s

ττ （3-18）

4.2.1计算转速调节器参数

按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR 的超前时间常数为：

i n==hT 50.0274=0.137s τ∑? （3-19）

并且求得转速环开环增益为：

2N 222

n 6h+1K =159.842h T 225(0.0274)s -∑==?? （3-20） 则可得ASR 的比例系数为：

n n (h+1)630.1130.1K =15.62h RT 2250.0059.50.0274

e m C T βα∑???==???? （3-21）

校验近似条件

转速截止频率为：

11

159.840.13721.9N cn N n K K s ωτω-==?=?= （3-22）

电流环传递函数简化条件为：

i 1135.11363.73T 0.037

I cn K s ω-∑=?=> （3-23） 转速环外环的小时间常数近似处理条件为：

1on 135.11327.43T 0.02

I cn K s ω-=?=> （3-24）

4.2.2计算调节器电阻和电容

按所用的运算放大器取0R =40k Ω。

各电容和电阻值为：

015.640625n n R K R K K =?=?Ω=Ω， （3-25） 0.1370.22625n n n C F R K τμ===Ω

（3-26）

4.2.3校核转速超调量

当h=5时，由书[]1可以查得：n σ=37.6%，这并不能满足课题所给要求。实际上，由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。 如下：

()max max n

**

T 2b N n b b m C n C n z C n C n T σλ∑????????==-

? ?????

1.29.5

0.0274

0.113281.2% 2.1 4.2%10%16000.1

?=????=< （3-27）

满足课题所给要求。

三环电流变化率数据是通过MATLAB 调试出来的

五、结果分析

5.1利用MATLAB 仿真软件系统建模及仿真实验及实验结果 双闭环仿真实验

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，如图5.1所示。

图5.1双闭环调节结构原理图

5.1.1转速、电流双闭环直流调速系统结构

图5.2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

综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要

求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图4.9所示：

用MATLAB 的SUMLINK 模块做的双闭环调速系统仿真模型图如图所示：

双闭环系统仿真波形及分析：

ACR 输出限幅值0.113*1600 1.2*9.5

6.4130

e d c s C n I R U V K ++=

==（4-1）

5.1.2双闭环调速系统调节参数 晶闸管放大系数Ks 机电时间常数m T 电磁时间常

数l T 电流反馈系数 转速反馈系数α

允许过载倍数λ 30 0. 1s

0.01s

3V/A 0.005vmin/r 1.5 on T

oi T

e C

R r t ASR 限幅值

0.02s 0.002s

0.113Vmin/r 9.5Ω

2s

± 6.1V ACR ASR ACR 限幅值 n τ i K I K

n K N K

±8.7V 0.137s 0.143 135.11S - 15.6 159.842S - i R i C n R

n C

i τ 6K Ω

1.75F μ

550K Ω

0.22F μ

0.01s

由此可得：双闭环调速系统采用PI 调节规律，它不同于P 调节器的输出量总是正比与其输入量，PI 调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，

图5.2 双闭环直流调速系统的动态结构

U

*

n

α

U c

-I dL

n

U

d0

U n

+

- -

β

+

-

U i

W ASR (s

W ACR (s)

K s

T s s +1 1/R T l s+1 R

T m s

U

*

i

I d

1/C e + E

到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来决定的。

双闭环系统仿真模型图5.3双

闭环

系统仿真模型

5.1.3

5.1.4仿真波形分析

转速波形图5.4（转速稳定在1600，超调很小）

图5.4转速波形电流波形图5.5（电流最终稳定在2A）

图5.5电流波形

从波形图中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：

第Ⅰ阶段：电流上升阶段。

突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.

第Ⅱ阶段：是恒流升速阶段。

从电流升到最大值开始，到转速升到给定值n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

第Ⅲ阶段：转速调节阶段。

在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。

根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在三闭环直流调速系统中的作用归纳为：

1). 转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2). 电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

5.2三闭环仿真实验

带电流变化率内环的三闭环原理图 三闭环仿真图如下

图

5.6三闭环直流调速系统电路原理图 + +

-

+

-

M

TG

+

-

+

-

RP

2

n

U *

n

R 0

R 0

U c

U i

TA

L

I d

R i C i

U d

+

-

R 0

R 0

R n C

n

ASR ACR

LM GT

RP 1

U n

U

*

i

LM

M T U

P

图5.8三闭环系统仿真模

型

波形结果

转速波形图5.8（超调较小最终稳定在1600转）

图5.8转速波形电流波形图5.9

图5.9电流波形

低转速下的波形图5.10（160转）

图5.10低转速下的波形

主电路采用三相桥式全控整流电路供电。系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压*n U 可方便地调节电动机的转速。速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制启动电流的作用；ACR 的输出c U 作为触发器GT 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅Ucm 起限制电力电子变换器的最大输出电压的作用。

当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出*im U *，使电动机以限定的最大电流dm I 加速启动，直到电动机转速达到给定转速并出现超调，使ASR 退出饱和，最后稳定运行在给定转速上。

本次实验成功实现了额定转速1600转D=10的指标，根据波形结果可以观察到在高转速时的运行比较稳定，而在低转速时经过一点波动性调整也慢慢稳定在目标值。

六、课程设计总结

本次课程设计的过程可谓是一波三折，在进行课程设计的过程中出现了许多没有想到过的问题，可见理论和实践还是有一定的区别，虽然最后一一攻克了所

出现的问题，但是其过程是相当地能磨练人。通过本次课程设计，我明白了课程设计对学好该门课程的重要性。同时也看了到自己在实践动手能力方面的缺陷与不足，因此我将会在以后的学习和工作中不断来加强这方面的锻炼。

这次课程设计的时间虽说是短暂的，但在这几天中我学会了不少的东西，如：MATLAB中simulink模块的使用、画图工具的使用、尤其是对直流调速系统的更进一步了解与掌握。

本次课程设计使我对直流电动机的调速方式和调速过程以及各参数之间的关系都有了更深入的认识，并且在设计调试过程中更加了解了调速过程时的电流变化以及PID参数的影响。并且通过这次的设计对各参数对各项的指标的影响和作用也有了更加明朗的认识，同时还大大提高了对MATLAB软件应用的熟练程度，可谓受益匪浅。

在本次课程设计中也遇到了不少的工程问题和理论问题，但最后都得到了完满的解决，在此十分的感谢课程设计的指导老师--李辉老师的细心指导和帮助。

七、参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社.第2版 2005

[2]李国勇，谢客明.控制系统数字仿真与CAD.北京：电子工业出版社. 2005

[3]赵文锋.基于MATLAB控制系统设计于仿真.西安：西安电子科技大学版

社.2003

[4] 戴宗坤、罗万伯. 控制系统设计.北京：电子工业出版社.2002