电气传动自动控制系统课程设计.doc

1、课 程 设 计 报 告 书题 目：电气传动自动控制系统 一设计任务1设计目标：（1）系统基本功能：该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，系统在工作范围内能稳定工作（2）已知条件：（3）稳态/动态指标: 静态： s% 5% D = 3动态： si% 5% sn% 10%(4) 期望调速性能示意说明:静差率小于5%，调速范围D=3.（5）系统电路结构示意图：2.客观条件：（1）使用设备列表清单及主要设备功能描述：二系统建模（系统固有参数测定实验内容）1.实验原理（1）变流电源内阻Rn的测定： a.电路示意图如下：可以等效如下：b.利用伏安法可以测出内阻R n的大小，方法是在电机静止，

2、电枢回路外串限流电阻，固定控制信号 Uct 大小，0.5AId 1A的条件下用伏安法测量Ud1，Id1和Ud2，Id2；利用公式可以求得Rn。（2）电枢内阻 Ra、平波电感内阻 Rd的测定：a.电路示意图如下：b.实验方法步骤：u 电机静止，电枢回路外串限流电阻u 固定控制信号 Uct 大小，Id 1A(额定负载热效点)u 使电枢处于三个不同位置（如上图约120o对称）进行三次测量(Ura，Urd，Id)，求 Ra ，Rd 的平均值.(3)电动机电势转速系数 Ce的测定：a.实验原理：由公式 可以推导出Ce的测定公式：b.实验方法步骤：u 空载启动电机并稳定运行（Id0大小基本恒定）u 给定两

3、个大小不同的控制信号 Uct ，测量两组稳定运行时的Ud、n数据(4)整流电源放大系数 Ks的测定：a.实验原理：Ks可以根据公式Ud0=Ks*Uct可知Ks就是以Uct为横坐标Ud0为纵坐标的如下图曲线中线性段的斜率。故可以通过公式测定Ks.b.实验方法步骤：u 分级调节控制信号 Uct 大小，并保持Id 1Au 在Ud0有效范围内，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Ud0maxu 按 Ud0 = Ud+IdRn 作出电源输入-输出特性曲线(用Excel生成)u 取线性段3段以上斜率，求其平均值得Ks（5）电枢回路电磁时间常数 T

4、L的测定：a.电路示意图：b.实验原理：可以根据公式L=Ld+La与TL=L/R求得TLc.实验方法步骤：u 断开电枢回路连线u 使用电感表测量电枢回路总电感量 L(6) 电枢回路机电时间常数Tm的测定：a.实验原理：由下列公式可以推导出Tm的公式b.实验方法步骤：u 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Idmu 记录 id 波形，由下列公式计算Tm2.原始数据（1）Ud1214VId10.5AUd2207VId21.0A（2）UrdUraId11.88V20.68V 1A 11.82V 20.59V 1A 11,88V 20.65V 1A （3）Ud(V)n(r/min)

5、78537144999(4)Ud(V)Id(A)Uct(V)2860.804.5852680.753.4442510.702.8252330.652.3592130.601.9911950.551.7291780.501.5211570.451.3061380.401.1411180.350.9891020.300.878840.250.773670.200.656(5)LdLa671mH345mH(6)实验波形如下：3.数据处理(1)Rn=（Ud2-Ud1）/（Id1-Id2）=（207-214）/（0.5-1.0）=14(2)Rd=1/3*（11.88V/1A+11.82V/1A+11.8

6、8V/1A）=11.86 Ra=1/3*（20.68V/1A+20.59V/1A+20.65V/1A）=20.64(3)Ce=(Ud2-Ud1)/(n2-n1)=(144-78)/(999-537)V*min/r=0.1428 V*min/r(4)用Excel处理：可以用公式Ud0=Ud+Id*Rn直接生成Ud0这一列的结果，表格如下：Ud(V)Id(A)Ud0(V)Uct(V)2860.80 297.24.5852680.75 278.53.4442510.70 260.82.8252330.65 242.12.3592130.60 221.41.9911950.55 202.71.7291

7、780.50 1851.5211570.45 163.31.3061380.40 143.61.1411180.35 122.90.9891020.30 106.20.878840.25 87.50.773670.20 69.80.656再用Excel插入散点图功能生成如下图形：取图中线性段四段求斜率如下：Ks1=(106.2-69.8)/(0.878-0.656)164Ks2=(143.6-106.2)/(1.141-0.878)142Ks3=(185-143.6)/(1.521-1.141)109Ks4=(221.4-185)/(1.991-1.521)77求得平均值：Ks=(164+14

8、2+109+77)/4=123(5)L=Ld+La=671mH+345mH=1016mHTL=L/R=L/(Rn+Ra+Rd)=1016mH/(14+20.64+11.86)=21.8ms=0.0218s(6) 通过作图工具处理如下：可以知道s的面积是10.75*(1.4/8A)*50ms=94.0625A*ms由此可以计算出Tm=s/(Idm-Idz)=94.0625A*ms/7*(1.4/8A)0.0767s4.实验结果电动机电枢内阻 Ra20.64电势转速系数 Ce0.1428 V*min/r整流电源等效内阻 Rn14放大系数 Ks123平波电感直流内阻 Rd11.86电枢回路总电阻 R

9、= Ra+ Rn+ Rd46.5电磁时间常数 TL0.0218s机电时间常数 Tm0.0767s三系统设计1.系统理论设计内容（系统传递函数结构图，设计步骤、PI参数计算及电路实现结果等）（1）系统设计理论：u 控制系统的动态性能指标： 动态性能指标总结：（1）跟随性能超调量s（%） 反映系统的动态调节稳定性能上升时间 tr 反映系统的动态调节快速性能调节时间 ts 反映系统的动态调节过渡周期（2）抗扰性能动态降落比 Cmax% 反映系统扰动引起的最大动态误差恢复时间 tr 反映系统的动态抗扰调节快速性能上述指标对应的给定和扰动均为阶跃信号u 调节器的工程设计方法： 工程设计方法：在设计时，把

10、实际系统校正或简化成典型系统，可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。 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。 在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。 控制系统的开环传递函数都可以表示成：（3-9） 分母中的sr项表示该系统在s= 0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。 为了使系

11、统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（ r =0），至少是型系统（ r =1）；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统（ r =2）才能实现稳态无差。 选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于型（ r =3）和型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把型和型系统作为系统设计的目标。u 典型型系统： 作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为 （3-10）式中， T系统的惯性时间常数； K系统的开环增益。 对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。 只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往

12、是控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K 。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。 典型型系统的对数幅频特性的幅值为：得到 相角裕度为 K值越大，截止频率wc 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 g 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。 在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。 u 动态跟随性能指标：n 典型型系统的闭环传递函数为n 过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即 0 x 1。n 超调量 （3-13）n 上升时间 （3-14）n 峰值时间 （3-15）n 当调节时间在 、误差带为的条件下可近似计算得（3-16）n 截止频率（按准确关系计算）（3-17）n 相角稳

13、定裕度（3-18）u 动态抗扰性能指标： 影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系， 典型型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点， 某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。 电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节， 采用PI调节器 在计算抗扰性能指标时，为了方便起见，输出量的最大动态降落Cmax用基准值Cb的百分数表示， 所对应的时间tm用时间常数T的倍数表示， 允许误差带为5%Cb时的恢复时间tv也用T的倍数表示。 取开环系统输出值作为基准值，即Cb=Fk2 (3-21)u 典型型系统： 典型型系统的开环传递函数表示为：（3-22

14、） 典型II型系统的时间常数T也是控制对象固有的，而待定的参数有两个： K 和 t 。 定义中频宽：(3-23) 中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。图3-13典型型系统(a)闭环系统结构图 (b)开环对数频率特性 (3-24) 改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，此特性与闭环系统的快速性有关。 系统相角稳定裕度为： 比T大得越多，系统的稳定裕度就越大。 采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。 (3-25) (3-26) 在确定了h之后，可求得：(3-29)(3-30)u 动态跟随性能指标： 按Mr

15、最小准则选择调节器参数，典型型系统的开环传递函数为: 系统的闭环传递函数 : 当R(t)为单位阶跃函数时， ，则: (3-31) u 动态抗扰性能指标: 在扰动作用点前后各有一个积分环节，用 作为一个扰动作用点之前的控制对象 取 于是（3-33）（3-32） 在阶跃扰动下,按Mrmin准则确定参数关系（3-34） 取2T时间内的累加值作为基准值 Cb = 2FK2T （3-35） 由表3-5中的数据可见，h值越小,也越小，tm都短，因而抗扰性能越好。 但是，当 ha，即系统是稳定的。 降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统(3-42) 近似条件 (3-43) （3）低频段大惯性环节的近似处理

16、当系统中存在一个时间常数特别大的惯性环节时，可以近似地将它看成是积分环节。 大惯性环节的频率特性为 近似成积分环节，其幅值应近似为 近似条件是： (3-44) u 按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器 用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。 先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统， 再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。 电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。（1） 电流调节器的设计： 反

17、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，。 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是(3-45) 式中ci电流环开环频率特性的截止频率。 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。 Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为Ti = Ts+ Toi(3-46) 简化的近似条件为 (3-47) 典型系统的选择：采用 I 型系统 电流调节器选择：PI型的电流调节

18、器，（3-48） Ki 电流调节器的比例系数；ti 电流调节器的超前时间常数。 电流环开环传递函数（3-49） 因为 TiTi，选择i= Ti ，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，（3-50） 希望电流超调量si 5%，选 x =0.707， KI TSi =0.5，则 模拟式电流调节器电路 U*i 电流给定电压；bId 电流负反馈电压；Uc 电力电子变换器的控制电压。 按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为 采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，可降阶近似为 降价近似条件为式中，cn转速环开环频率特性的截止频率 电流环在转速环中等效为 电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制

19、对象近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节， 加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。（2） 转速调节器的设计： 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a， 把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并 转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，IdL(s)是负载扰动。 系统实现无静差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。 转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。 ASR采用PI调节器Kn 转速调节器的比例系数；t n 转速调节器的超前时间常数。 调速系统的开环传递函数为 令转速环开

20、环增益KN为 则 无特殊要求时，一般以选择h=5 为好。 模拟式转速调节器电路 U*n 转速给定电压；n 转速负反馈电压；U*i 电流调节器的给定电压。（3） 转速调节器退饱和时转速超调量的计算： 当转速超过给定值之后，转速调节器ASR由饱和限幅状态进入线性调节状态，此时的转速环由开环进入闭环控制，迫使电流由最大值Idm降到负载电流Idl 。 ASR开始退饱和时，由于电动机电流Id仍大于负载电流Idl ，电动机继续加速，直到Id Idl时，转速才降低。 这不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作“退饱和超调”。 假定调速系统原来是在Idm的条件下运行于转速n*， 在点

21、O 突然将负载由Idm降到Idl ，转速会在突减负载的情况下，产生一个速升与恢复的过程， 突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。 只考虑稳态转速n*以上的超调部分，n=n-n*，坐标原点移到O点， 初始条件则转化为 把n的负反馈作用反映到主通道第一个环节的输出量上来，得图 (c)，图中Id和IdL的+、- 号都作了相应的变化。 图 (c)和讨论典型II型系统抗扰过程所用的图完全相同。可以利用表3-5给出的典型II型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量， 在典型II型系统抗扰性能指标中， DC的基准值是 Dn的基准值是 作为转速超调量n%，其基准值应该是n*，退饱和超调量可以由表3-5列出的数据经基准值换算后求得，即 电动机允许的过载倍数， z负载系数， word文档 可自由复制编辑