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黑龍江大學課程設計說明書 學院：機電工程學院 專業：電氣工程及其自動化 課程名稱：電力拖動自動控制系統 設計題目：雙閉環調速系統ASR和ACR 結構及參數設計(2) 姓名：代敏 學號：20123772 指導教師：袁 明
成績：
雙閉環調速系統ASR和ACR結構及參數設計(2) 一．設計目的： 掌握用工程設計方法設計雙閉環調速系統的轉速調節器和電流調節器，加深對雙閉環直流調速系統理解。 二．設計內容： 在一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的雙閉環直流調速系統中，已知電動機數據如下：60kW，220V，308A，1000r/min，Ce= 0.196V·min/r, 主回路總電阻R=0.18Ω, Ks = 35，TL=0.012s,Tm=0.12s,電流反饋濾波時間常數Toi=0.0025s, 轉速反饋濾波時間常數Ton=0.015s, 額定轉速時的給定電壓為10V, ASR最大輸出限幅值為8V, ACR最大輸出限幅值為6.5V，R0=40kΩ。 設計要求：穩態無靜差；調速范圍D=10, 電流超調量si ≤ 5%，電機空載起動到額定轉速時的轉速超調量sn ≤ 10%，起動電流限制在339A以內。 三．時間安排： 6.22—6.23 查閱相關資料； 6.24—6.25 按要求設計相關內容，完成設計文本 6.26 考核答辯 四．參考書目： 1.《電力拖動自動控制系統》（第3版）陳伯時主編 機械工業出版社 2.《電力電子技術》（第4版） 王兆安 黃俊主編 機械工業出版社 3.《自動控制理論》 劉丁主編 機械工業出版社 4.《電機及拖動基礎》（第3版） 顧繩谷主編 機械工業出版社
目錄 第一章緒論............................................................ 3 1.1 雙閉環直流調速系統的介紹........................................... 3 1.2 雙閉環調速系統的動態結構框圖....................................... 4 1.3調節器的作用....................................................... 5 第二章電流調節器的設計............................................ 5 2.1 典型系統的介紹..................................................... 5 2.2 電流調節器的參數計算............................................... 7 2.3 效驗近似條件....................................................... 9 2.4 計算電阻和電容.................................................... 10 第三章轉速調節器的設計........................................... 11 3.1 電流環的等效閉環傳遞函數.......................................... 11 3.2 轉速環結構的化簡和轉速調節器結構的選擇............................ 11 3.3 轉速環參數的確定.................................................. 12 3.4 校驗校驗近似條件.................................................. 13 3.5 計算調節器電阻和電容.............................................. 14 3.6 校核超調量........................................................ 15 結論及心得體會...................................................... 19 參考書目…………………………………………………………………………20
第一章 緒論 1.1雙閉環直流調速系統的介紹 雙閉環（轉速環、電流環）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強的優點。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環調速系統可以在保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。 在單閉環系統中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖1-1(a)所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif 圖1-1 在實際工作中，我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-1（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif的恒流過程，按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節器的輸入端，到達穩態轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發揮主作用，因此我們采用雙閉環調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。 1.2 雙閉環直流調速系統的動態結構圖 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif 圖1-2 雙閉環調速系統的實際動態結構框圖如圖1-2。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環節傳遞函數可用一階慣性環節來表示，其濾波時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環節也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節。其意義是讓給定信號和反饋信號經過相同的延時，使得二者在時間上恰好的配合。 由測速發電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數用file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif表示。根據和電流環一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif的給定濾波環節。 1.3調節器的作用 1. 轉速調節器的作用 （1）轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速n 很快地跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 2. 電流調節器的作用 （1）作為內環的調節器，在外環轉速的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環調節器的輸出量）變化。 （2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。 （3）在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程。
第二章 電流調節器的設計
2.1 典型系統的介紹 一般來說，許多典型系統的開環傳遞函數都可用下式表示： file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif 其中分子和分母上還有可能含有復數零點和復數極點。0型系統穩態精度低，而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統很難穩定。因此，為了保證穩定性和較好的穩態精度，多用Ⅰ型和Ⅱ型系統。 1）典型Ⅰ型系統 作為典型Ⅰ型系統，其開環傳遞函數為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif 式中 T------系統的慣性時間常數； K------系統的開環增益。 它的閉環系統結構框圖如圖2-1所示，開環對數幅頻特性如圖2-2所示.選擇它作為典型Ⅰ型系統是因為其結構簡單，而且對數幅頻特性的中頻段以-20file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif的斜率穿越0file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif線，只要參數的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統就一定是穩定的，且有足夠的穩定裕量。顯然要做到這一點，應在選擇參數時保證 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.gif
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.gif 圖2-1 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.gif 圖2-2 2）典型Ⅱ型系統 開環傳遞函數為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.gif 它的閉環系統結構框圖和開環對數幅頻特性如圖2-3，圖2-4所示，其中頻段也是以-20file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image033.gif的斜率穿越0file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif線。由于分母中file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image035.gif項對應對應的相頻特性是file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.gif，后面還有一個慣性環節，如果不在分子添上一個比例微分環節file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image039.gif，就無法把相頻特性抬到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.gif線上，也就無法保證系統穩定。顯然應保證 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image041.gif 而相角穩定裕度為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image043.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image045.gif比T大的越多，則系統穩定裕度越大。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image047.gif 圖2-3 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image049.gif 圖2-4 典型Ⅰ型系統和典型Ⅱ型系統除了在穩態誤差上的區別以外，一般來說，在動態性能中典型Ⅰ型系統可以在跟隨性能上做到超調量小，但抗擾性能差；而典型Ⅱ型系統的超調量相對較大，抗擾性能卻較好。所以電流調節器選用典型Ⅰ型系統，轉速調節器選用典型Ⅱ型系統。 2.2電流調節器參數的計算
確定時間常數 1）整流裝置滯后時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image051.gif。按下表，三相橋式電路的平均失控時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image053.gif。
| 最大失控時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image055.gif | 平均失控時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image057.gif | | | 10 | | | 5 | | | 3.33 | | | |
電流濾波時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image059.gif 電流環小時間常數之和file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image061.gif。按小時間常數近似處理，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image063.gif 選擇電流調節器結構 根據設計要求file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image065.gif，并保證穩態電流無差，可按Ⅰ型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image067.gif 檢查對電源電壓的抗擾性能：file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image069.gif，參照下表典型Ⅰ型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image071.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image073.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image075.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image077.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image079.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image081.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image083.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image085.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image087.gif |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image089.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image091.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image093.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image095.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image097.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image099.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image101.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image103.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image105.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image107.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image109.gif |
計算電流調節器參數 電流調節器超前時間常數：file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image111.gif。 電流環開環增益：要求file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image065.gif時，按下表，應取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image113.gif，因此 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image115.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image117.gif 于是，ACR的比例系數為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image119.gif
參數關系file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image121.gif | | | | | | 阻尼比file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image123.gif | | | | | | 超調量file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image125.gif | | | | | | 上升時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image127.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image129.gif | 6.6file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 4.7file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 3.3file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 2.4file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image135.gif | 峰值時間file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image137.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image129.gif | 8.3file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 6.2file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 4.7file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image131.gif | 3.6file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image135.gif | 相角穩定裕度file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image144.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image146.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image148.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image150.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image152.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image154.gif | 截止頻率file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image156.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image158.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image160.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image162.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image164.gif | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image166.gif |
2.3效驗近似條件 電流環截止頻率：file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image168.gif 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image170.gif 滿足近似條件 （2）忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件，已知file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image172.gif=0.112s file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image174.gif 滿足近似條件。 （3）電流環小時間常數近似處理條件
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image176.gif 滿足近似條件。 2.4計算調節器電阻和電容 由下圖 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image178.gif 按所用運算放大器取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image180.gif，各電阻和電容值為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image182.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image186.gif ，取9file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image188.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image190.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image192.gif，取0.3file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image194.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image196.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image198.gif，取0.25file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image194.gif
按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image200.gif，滿足設計要求 第三章轉速調節器的設計 3.1電流環的等效閉環傳遞函數 電流環經化簡后可視作轉速環中的一個環節，為此需要求出它的閉環傳遞函數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image202.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image204.gif 忽略高此項，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image205.gif可降階近似為： file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image207.gif 接入轉速環內，電流環等效環節的輸入量應為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image209.gif，因此電流環在轉速環中應等效為： file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image211.gif 這樣，原來是雙慣性環節的電流環控制對象，經閉環控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image213.gif的一階慣性環節。這表明，電流的閉環控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用 3.2 轉速環結構的化簡和轉速調節器結構的選擇 整個轉速控制系統的動態結構框圖如圖3-1所示。
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image215.gif圖3-1 和電流環中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image217.gif，再把時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image219.gif和file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image221.gif的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image223.gif的慣性環節，其中file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image225.gif，則轉速環結構框圖可化簡成圖3-2。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image227.gif 圖3-2
3.3轉速環參數的確定 確定時間常數 電流環等效時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image219.gif:由上已取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image229.gif，則 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image231.gif 2）轉速濾波時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image233.gif 3)轉速環小時間常數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image235.gif：按小時間常數近似處理，取 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image237.gif 選擇轉速調節器結構 按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為：
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image239.gif 計算轉速調節器參數 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image241.gif，則ASR的超前時間常數為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image243.gif 由file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image245.gif得file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image247.gif 于是由 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image249.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image251.gif 得ASR比例系數為file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image253.gif
3.4 檢驗近似條件 由式file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image255.gif得轉速環截止頻率為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image257.gif 電流環傳遞函數化簡條件 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image259.gif
滿足簡化要求。 轉速環小時間常數近似處理條件 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image261.gif
滿足近似條件。 3.5 計算調節器電阻和電容 根據下圖
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image263.gif 取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image265.gif，則 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image267.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image270.gif，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image272.gif=300file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image274.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image276.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image278.gif，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image280.gif=0.5file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image282.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image284.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image184.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image286.gif，取file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image288.gif=1.5file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image282.gif 3.6 校核轉速超調量 當file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image290.gif時，由下表查得，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image292.gif，不能滿足設計要求，實際上，由于下表是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image294.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image296.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image298.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image300.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image302.gif | | | | | | | | |
退飽和計算 轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算 計算退飽和超調量時，起動過程可按分段線性化的方法來處理。當file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image304.gif飽和時，相當于轉速環開環，電流環輸入恒定電壓file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image306.gif，如果忽略電流環短暫的跟隨過程，其輸出量也基本上是恒定值file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image308.gif，因而電動機基本上按恒加速度起動，其加速度為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image310.gif 這個加速過程一直延續到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image312.gif時刻file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image314.gif時為止。取上式的積分，得 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image316.gif 考慮到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image318.gif和file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image320.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image322.gif，則 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image324.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image326.gif退飽和后，轉速環恢復到線性范圍內運行，系統的結構框圖見圖4-1。描述系統的微分方程和前面分析線性系統的跟隨性能時相同，只是初始條件不同了。分析線性系統跟隨性時，初始條件為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image328.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image330.gif 討論退飽和超調時，飽和階段的終了狀態就是退飽和階段的初始狀態，只是把時間坐標零點從file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image332.gif移到file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image334.gif時刻即可。因此，退飽和的初始條件是 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image336.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image338.gif 在典型Ⅱ系統抗擾性能指標中，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image340.gif的基準值的為 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image342.gif 可知 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image344.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image346.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image348.gif 所以file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image350.gif的基準應是 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image352.gif 令file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image354.gif表示電機允許的過載倍數，即file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image356.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image358.gif表示負載系數，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image360.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image362.gif為調速系統開環機械的額定穩態速降，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image364.gif，代入，可得 file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image366.gif 由設計要求可得電機允許的過載倍數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image368.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image370.gif,file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image372.gif,file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image374.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image376.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image378.gif，file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image380.gif。當file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image382.gif時，由下表查得file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image384.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image386.gif 電力電子變換器理想空載輸出電壓file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image388.gif， 有 電動機電流file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image390.gif， 又由 負載系數file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image392.gif
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image394.gif 滿足設計要求file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image396.gif
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image294.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image399.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image401.gif | | | | | | | | | file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image403.gif | | | | | | | | |
file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image405.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image407.gif file:///C:/Users/lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image409.gif
結論及心得體會 1.遇到的主要問題 各環節的機構圖化簡 由于采用雙閉環調速系統，系統的動態結構圖較長，電流調節器的參數不容易確定。為了便于計算，在參數確定過程中，先內環后外環，既首先設計電流調節器，然后把整個電流環節作為轉速系統中的一個環節，再設計轉速調節器。在設計電流調節器和轉速調機器的過程中，根據題目要求，將電流環矯正成I型系統，將轉速環矯正成II型系統。在系統設計中，將系統中的一組小慣性環節，近似的看成一個小慣性環節，從而大大簡化了計算。 相關參數的選取 在電流調節器的參數計算過程中，待定參數只有Ki，通過查表和簡單計算就可以求得Ki，但是，在轉速調節參數的確定中，待確定的參數有K和T。在工程設計中，如果兩個參數都任意選擇，工作量是很大的，通過采用“震蕩指標法”中的閉環幅頻特性峰值Mr最小準則，可以找到h和Wc兩個參數之間的一種最佳配合。進而求得所求參數。
2.學習收獲 雙閉環調速系統起動過程的電流和轉速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照ASR在起動過程中的飽和情況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉速調節階段。從起動時間上看，II階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環系統基本上實現了電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優控制”。帶PI調節器的雙閉環調速系統還有一個特點，就是轉速必然超調。在雙閉環調速系統中，ASR的作用是對轉速的抗擾調節并使之在穩態時無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓波動。 通過本次設計理解了典型Ⅰ型系統和典型Ⅱ系統的兩個動態性能指標，跟隨性能指標和抗擾性能指標，與系統參數的關系。典型Ⅰ型系統可以在跟隨性能上做到超調量小，但抗擾性能稍差；典型Ⅱ系統的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。根據這一依據，實際控制系統對于各種動態指標的要求各不相同選用的系統類型也不同。如調速系統的動態特性以抗擾性能為主，則應首先典型Ⅱ系統；而隨動系統的動態性能指標以跟隨性能為主，可按典型Ⅰ型系統設計。 這次課程設計我詳細的明白了雙閉環直流調速系統的原理，對雙閉環調速系統的結構有一定的理解，掌握了電流調節器和轉速調節器結構和參數的設計方法與步驟，所學的知識得到了進一步的鞏固。
參考書目 1.《電力拖動自動控制系統》（第3版）陳伯時主編 機械工業出版社 2.《電力電子技術》（第4版） 王兆安 黃俊主編 機械工業出版社 3.《自動控制理論》 劉丁主編 機械工業出版社 4.《電機及拖動基礎》（第3版） 顧繩谷主編 機械工業出版社
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