雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACR

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化課程名稱：電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) ASR和ACR結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：成績(jī):雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACF結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)（5）一. 設(shè)計(jì)目的：掌握用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流 調(diào)節(jié)器，加深對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)理解。二. 設(shè)計(jì)內(nèi)容：有一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用三相橋式全控整流裝置供電，已知電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)如下：550kW 750V, 780A, 375r/min ,Ce=1.92Vmin /r，允許電流過(guò)載倍數(shù)1.5，主回路總電阻R= 0.1 Q, Ks =75, Tl=0.03

2、s,T m=0.084s,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Toi=0.002s,轉(zhuǎn) 速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.02s, ASR最大最大給定值和輸出限幅值為 12V, ACR最大輸出限幅值為12V。設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 i 5%,電 機(jī)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n *Tm-IdLsUn U*iIdKs1/UdOT0ns+1T0is+1圖1-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖T0i 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)TOn 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)二電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化1 ）忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即E0。這時(shí)，電流環(huán)

3、如下圖所示。1+ACRUc (s)KsUd0(s)1/RT0is+11 -*Tss+1Tl s+1Id (s)U*i(s)Ui (s)圖2-1a電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)2）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i（s） / ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（圖2-1b）。U*i(s)Uc (s)T0is+1ACRKs /RId (s)i(Tss+1)(TI s+1)圖 2-1b3）小慣性環(huán)節(jié)近似處理最后，由于Ts和TOi 般都比TI小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為(2-1)TE i = Ts + Toici

4、簡(jiǎn)化的近似條件為TsToi電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖2-1c。圖 2-1c2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-23c可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流 在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。1 ）電流調(diào)節(jié)器選擇圖2-1c表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成WAcRs)Ws 1)iS(2-2)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大

5、時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇Ti(2-3)則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中K iK siR式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù); 校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性(2-4)T 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖:Ui (s)KiId(s)s(s 1)圖2-2校正成典型I型系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-3校正成典型I型系統(tǒng)電流環(huán)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性2.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算表2-1典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系秦?cái)?shù)關(guān)系0-250.390/50.691 .O1.0O.S0.7070.605超調(diào)童bO %1 3%d.3 %9,5 %16.3 啊上升時(shí)間“noA.7T3.3T2y

6、ir瞇值時(shí)冋Z(yǔ)p3376.27T4.7T3J2T相fn穩(wěn)定裕度y3359.2 05 i_.it 0減it皴率叫O43/TO.455/71O7S6/7由式2-2可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是 Ki和j,其中i已選定，待定的只 有比例系數(shù)Kj，可根據(jù)所需的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量i 5%， 由表2-1, KT=KiTi 0.5可選 0.707,，且已知T i Ts Toi =0.0017 0.002 0.0037s， 因此電流環(huán)開環(huán)增益：Ki 05135.14s 1T i 0.0037雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)。各變量之間的關(guān)系：Un Un nn。Ui Ui Id

7、 I dm已知兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入和輸出最大值都是12V，額定轉(zhuǎn)速nN 375r/min ，額定電流In 780A，過(guò)載倍數(shù)1.5，則U 12轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 0.032V min/rnN 375U12電流反饋系數(shù)： 上 0.01V/AIn 1.5 780由式（2-3）和（2-4），且已知 Tl 0.03s，R 0.1 ，Ks 75，則Ks750.01Tl0.038.108，0.0037參照表2-2的典型I型系電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：Ki 空應(yīng)135.14 0.03 O.1 0.542.4校驗(yàn)1）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能都是可以接受的表2-2典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系Tm

8、 T2T215110120130cCmax100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4電流截止頻率：ci Ki 135.14s2）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件1 13Ts3 0.0017196.1sci滿足近似條件3）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件，已知Tm 0.084sTmTL10.084 0.0359.76sci滿足近似條件4）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件10.0017 0.002180.8sci滿足近似條件2.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-4，圖中

9、J為電流給定電壓，Id為電流反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓Uc根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，且已知 R。40k,可以容易地導(dǎo)出:KiR0Ri KiR00.54 4021.6k ，取 20 kRGCi丄 Tl0.03RRi20 1031.5 10 6F1.5 F，取 1.5 FToi4RCoiCo, 4十 4X 2107f 02F，取2FRiCA+.+R balCoiRo2(3-2)Ro2i圖2-4含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)：20k, G 1.5 F , Coi 0.2 F，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i 4.3%5% (見表2-1 )，滿足以上要求

10、。三.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)化簡(jiǎn)后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)Wdi(s)，由圖2-2可知：KiWcli(s)U：ss/s(Tis1)1( 3 1 )1KiTis21 s 1-S(S 1)KiKi忽略高此項(xiàng)，W/S)可降階近似為:Wcli (S)Ki接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為Ui (s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)ld(s)Wcli(s)Ui(s)bs 1(3-3)Ki中應(yīng)等效為:這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象， 經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成 只有較小時(shí)間常數(shù)1 KI的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，

11、加快了電流的跟隨作用。3.2轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡(jiǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖1-1中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié) 構(gòu)框圖如圖3-1所示。n(s)圖3-1用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成Un(S)/ ，再把時(shí)間常數(shù)1/Ki和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T n的慣性環(huán)節(jié),其中TnTon，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡(jiǎn)成圖3-2圖3-2等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開

12、環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)， 所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型U系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí) 也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的 計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。由此可見ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中KnWASR(S)Kn( nS (3-4)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間Kn R( nS 1)n CeTmS 仃 nS 1)令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益Kn為:KnKn Rwn（S）Kn( nS 1)SfTnS 1)(3-5)(3-6)Un(S)英Kn( nS 1)n(s)2S 仃 nS 1)常數(shù)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:Wn(

13、S)Kn( nS 1) R/nSCeTmS(T nS 1)圖3-3校正后成為典型U系統(tǒng)在典型U系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，時(shí)間常數(shù) T是控制對(duì)象固定的，待定的參 數(shù)有K和。為了分析方便，引入一個(gè)新的變量h，令(3-7)圖3-4典型U系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算已知KT=KITi 0.5，T i 0.0037s，則電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):2T i 2 0.00370.0074s已知Ton 0.02s，則小時(shí)間常數(shù)近似處理的時(shí)間常數(shù)為:TnKiTon0.0074 0.020.0274s按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h 5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:hT n 5 0.0274

14、0.137s由式可知轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為:Kn2 22hTn5 12 22 50.0274159.84s由式可知ASR的比例系數(shù)為:Kn(h 1) CeTm2h RT6 0.01 1.92 0.0842 5 0.032 0.1 0.027411.043.4校驗(yàn)由式可知轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為:Kncn1Kn n 159.84 0.13721.90s1）電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)條件1 Ki1135.143 I T j 3 : 0.003763.70scn滿足簡(jiǎn)化要求2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1 Ki1135.1431 g 30.0227.4scn滿足近似條件3.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖3-5，已知R

15、40k ，則KnRnCnRnR01RjCon4R。2RnKnR011.04 40441.6k ，取 出440kCnCon0.137440 1034TonR03.114 10 7F 0.3114 F4 0.0240 10ConnConCn0.3 F2 10 6F 2 F ,取 ConRnCn圖3-5含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量表3-1典型U系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按 Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）h34567891052.6%43.6%37.6% :33.2%P 29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35

16、ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111當(dāng)h 5時(shí)，由表3-1 ,37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表 3-1是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。四.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算計(jì)算退飽和超調(diào)量時(shí)，起動(dòng)過(guò)程可按分段線性化的方法來(lái)處理。當(dāng)ASR飽和 時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，電流環(huán)輸入恒定電壓 Um，如果忽略電流環(huán)短暫的跟隨過(guò)程，其輸出量也基本上是恒定值Idm，因而電動(dòng)機(jī)基本上按恒加速度起動(dòng)，其加速度為如(|dmdtRIdL)CT( 4-1 )Ce

17、 1 m這個(gè)加速過(guò)程一直延續(xù)到t2時(shí)刻nn時(shí)為止。取式（4-1 ）的積分，得(4-2)CeJn(I dm I dL)R考慮到Kn(h 1) CeTm2h RTn和Unn，Uim I dm，則t2(2h ) KnUn(h 1)UimIdLTn(4-3)ASR退飽和后，轉(zhuǎn)速環(huán)恢復(fù)到線性范圍內(nèi)運(yùn)行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖 3-1。 描述系統(tǒng)的微分方程和前面分析線性系統(tǒng)的跟隨性能時(shí)相同， 只是初始條件不同 了。分析線性系統(tǒng)跟隨性時(shí)，初始條件為n(0) 0，ld(O) 0討論退飽和超調(diào)時(shí)，飽和階段的終了狀態(tài)就是退飽和階段的初始狀態(tài)， 只是把時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)從t 0移到t t2時(shí)刻即可。因此，退飽和的初始條件是n

18、(0) n，ld(O) I dm由于初始條件發(fā)生了變化，盡管兩種情況的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和微分方程完全一 樣，過(guò)渡過(guò)程還是不同的。因此，退飽和超調(diào)量并不等于典型U系統(tǒng)跟隨性能指 標(biāo)中的超調(diào)量。當(dāng)ASR選用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，圖3-1所示的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可以繪成圖4-1。由 于感興趣的是在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n以上的超調(diào)部分，即只考慮 n n n，可以把初始條件轉(zhuǎn)化為 n(0) n，ld(O) I dm。由于圖4-2的給定信號(hào)為零，可以不畫，而把 n的反饋?zhàn)饔梅答伒街魍ǖ?第一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出量上，得到圖4-3。為了保持圖4-3和圖4-2各量間的加減關(guān) 系不變，圖4-3中的ld和IdL的+、-號(hào)相應(yīng)的變化。圖4-1調(diào)速系

19、統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以轉(zhuǎn)速n為輸出量Kn( nS 1)|d(s) A|d(s).Rn(s)nS(T nS 1)CeTmSn(s)圖4-2調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以轉(zhuǎn)速超調(diào)值n為輸出量ldL（S）Kn( nS 1)Id(s) M ld(s)Rn(s)nS(T nS 1)CeTm s圖4-3調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖4-2的等效變化可以把退飽和超調(diào)看作是在Id I dm的負(fù)載下以n n穩(wěn)定運(yùn)行，在t t2時(shí)刻負(fù)載由Idm減小到IdL，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)速升與恢復(fù)的過(guò)程?？衫帽?-1給出的典型U系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)來(lái)計(jì)算退飽和超調(diào)量，只要注意n的基準(zhǔn)值即可。表4-1典型U系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h3 45678910Cmax /Cb72.2%77. 5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40b/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型U系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中，C的基準(zhǔn)值的為Cb 2FK2T(4-4)可知RK2，TTn，F(xiàn)IdmIdLCeTm所以n的基準(zhǔn)應(yīng)是2 RT n (I dm I dL ) % -(4-5)令表示電機(jī)允許的過(guò)載倍數(shù)，即Idm IdN , z表示負(fù)載系數(shù)