交直流調(diào)速-譚唯

1、 交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 譚 唯 指導(dǎo)教師： 李建軍 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自動化1304班 完成時間： 2016年4月30日 交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：自動化指導(dǎo)教師李建軍學(xué)生姓名譚唯課題名稱雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)。二、設(shè)計內(nèi)容1、調(diào)速方案的選擇 （1) 直流電動機的選擇：根據(jù)要求，選擇電機型號 Z4-180-11 16相關(guān)參數(shù)：額定功率=37kW、額定電壓，額定轉(zhuǎn)速=1500r/min、電樞電流=95.4A

2、、勵磁功率=820w、電樞回路電阻=0.29（20）、電樞回路電感=5.8mH、磁場電感=10H、慣量矩0.64 kg、極對數(shù)為2、過載系數(shù)。 （2）電動機供電方案的選擇 （3）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇 （4）確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖2、主電路的計算 （1）整流變壓器計算：二次側(cè)電壓計算，一、二次側(cè)電流的計算，容量的計算 （2）晶閘管元件的選擇，晶閘管的額定電壓、電流計算 （3）主要保護環(huán)節(jié)的設(shè)計：快速熔斷器選擇，阻容保護、壓敏電阻保護計算 （4）平波電抗器計算3、控制電路設(shè)計計算 （1）給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計計算 （2）轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計與計算 （3）調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算等 4、

3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計 主要設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器三、設(shè)計要求 1、調(diào)速范圍D=10，靜差率S5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量i5%，電流脈動系數(shù)Si10；起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量n10。 2、系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護。 3、觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。 4、對拖動系統(tǒng)設(shè)置給定積分。四、系統(tǒng)的計算機仿真 用MATLAB仿真方法對所設(shè)計的系統(tǒng)進行計算機仿真摘 要本文實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，實驗結(jié)果可以準(zhǔn)確直觀的觀察轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程，可方便的設(shè)計各種不同的調(diào)節(jié)器參數(shù)及控制策略并分析其多系統(tǒng)性能的影響，取得了很好的效果。但怎樣處理好轉(zhuǎn)速控制和電

4、流控制之間的關(guān)系呢？經(jīng)過反復(fù)研究和實踐，終于發(fā)現(xiàn)，電流調(diào)節(jié)器可以起到限制電流作用，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速作用，如果在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串聯(lián)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓，那么這兩種調(diào)節(jié)作用就能互相配合，相輔相成了。本文利用MATLAB軟件中的simulink組件對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果表明，應(yīng)用MATLAB進行系統(tǒng)仿真具有方便，高效及可靠性高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，ACR，ASR，晶閘管，直流電動機，MATLABABSTRACT This thesis acc

5、omplishes the design of revved circle system about the direct current . According to the outcome of this experiment, we get a direct and accurate observation of the process of revving and the operation of the current system, therefore we can easily obtain the convenience to design out a variety of r

6、egulating parameters, monitoring strategies, and we indeed acquire efficient results after careful analyses about the multi-systematic function of the regulator. However, how should we tackle and relation between the control of revving and current controlling? That remains a problem.After repeated i

7、nvestigation and practice , its discovered that current regulator is able to refrain current running, rev up and stabilize the speeding. If we inset two regulators in the system, in which one is set for the speed and the other for the current, and then link them in series to establish the output of

8、ASR revving regulator as the input of ACR current regulator. Next, if making the output of current regulator as a trigger device of the thyristor, we could coordinate, mutualize and supplement each other function.This thesis makes use of the simulink component to emulate the running mode of direct c

9、urrent system, which is embodied in the MATLAB software. As is shown in the result, it is fairy convenient, highly efficient and reliable to apply MATLAB system to emulate the real situation. Key words：revved circle system about the direct current；ACR；ASR； thyristor；direct current electromotor；MATLA

10、B目 錄1 緒論32 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理42.1 系統(tǒng)的組成42.1.1 系統(tǒng)組成框圖42.2 系統(tǒng)的原理42.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖52.4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖53 電動機供電方案的選擇63.1 整流器主電路結(jié)構(gòu)形式的選擇方案64 相關(guān)裝置選擇與參數(shù)計算74.1 三相全控橋式整流電路相關(guān)參數(shù)74.2 整流變壓器二次相電壓的計算74.2.1 整流變壓器的選擇74.2.2 整流變壓器的參數(shù)計算應(yīng)考慮因素74.2.3 二次相電壓的計算74.3 整流變壓器二次相電流的計算84.3.1 二次相電流的計算84.4 變壓器的容量計算84.5 整流器的計算94.5.1 晶閘管選擇94.6 平

11、波和均衡電抗器94.6.1 平博和均衡電抗器在主回路中的作用和布置94.6.2 平波和均衡電抗器選擇94.7 晶閘管保護104.7.1 提出問題114.7.2 解決措施114.8 觸發(fā)裝置的選擇115 調(diào)節(jié)器的設(shè)計125.1 設(shè)計調(diào)節(jié)器的原則125.2 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計145.2.1 確定時間常數(shù)145.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)145.2.3 計算選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)145.2.4 校驗近似條件155.2.5 計算電流調(diào)節(jié)器的電阻與電容參數(shù)155.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計165.3.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)175.3.2 確定時間常數(shù)175.3.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)175.3

12、.4 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)185.3.5 校驗近似條件185.3.6 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)196 電氣原理總圖及MATLAB仿真圖207 工程上應(yīng)注意的問題227.1 轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)227.2 反電動勢對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速退出飽和超調(diào)量的影響237.3 磁通對轉(zhuǎn)速的影響23心得體會23參考文獻24致謝251 緒論許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟

13、，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)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(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，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(tài)波形。在實際工作中，我

14、們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這樣在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程，這就是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。本次設(shè)計的課題是雙閉環(huán)

15、晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理2.1 系統(tǒng)的組成2.1.1 系統(tǒng)組成框圖為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖1所示，其中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR

16、為電流調(diào)節(jié)器，TG為測速發(fā)電機，UPE為電力電子變換器電流互感器。圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成框圖2.2 系統(tǒng)的原理為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。圖2 系統(tǒng)原理圖2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。結(jié)構(gòu)框圖如圖3：圖3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在單閉環(huán)直流調(diào)速系

17、統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4，圖中ASR(s)和ACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流負反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。圖4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3 電動機供電方案的選擇3.1 整流器主電路結(jié)構(gòu)形式的選擇方案因為直流電動機一般采用高功率、高電壓、高電流的直流電源供電，在工程中絕大多數(shù)采用能耐高電壓耐高電流的晶閘管制作成整流電源，因此我們也采用晶閘管整流電源為直流電機供電。方案一：采用三相半波整流器，變壓器利用率差（0.74），直流側(cè)脈動情況一般（m=3）

18、，元件利用率（120°）較好，有直流磁化現(xiàn)象，而且有嚴重的波形畸變（0.827），應(yīng)用場合50kw以下及電動機勵磁。方案二：采用雙三相橋式帶平衡電抗器整流器，變壓器利用率好（0.97），直流側(cè)脈動情況?。╩=12），元件利用率（120°）較好，無直流磁化現(xiàn)象，而且僅有小的波形畸變（0.985），應(yīng)用場合1000kw以上可逆及四象限運行。方案三：采用雙反星形帶平衡電抗器整流器，變壓器利用率一般（0.79），直流側(cè)脈動情況較?。╩=6），元件利用率（120°）較好，無直流磁化現(xiàn)象，而且僅有較小的波形畸變（0.955），應(yīng)用場合低壓大電流。方案四：采用三相全控橋式整流器

19、，變壓器利用率好（0.95），直流側(cè)脈動情況較?。╩=6），元件利用率（120°）較好，無直流磁化現(xiàn)象，而且僅有較小的波形畸變（0.955），應(yīng)用場合10kw200kw可（不可）逆，應(yīng)用范圍極廣。根據(jù)電動機額定功率相關(guān)參數(shù)以及整流器主電路性能的比較，可以確定選用方案四。4 相關(guān)裝置選擇與參數(shù)計算4.1 三相全控橋式整流電路相關(guān)參數(shù)換相電抗壓降系數(shù)=0.5整流電壓計算系數(shù)=2.34晶閘管電壓和電流計算系數(shù)分別是2.45和0.367整流變壓器：二次相電流計算系數(shù)=0.816一次相電流計算系數(shù)=0.816視在功率計算系數(shù)=1.05漏抗計算系數(shù)=1.22漏抗折算系數(shù)=2電阻折算系數(shù)=2 4.

20、2 整流變壓器二次相電壓的計算4.2.1 整流變壓器的選擇我們選用三角形星形連接方式，因為便于我們二次側(cè)星形連接便于與三相橋式整流器連接。4.2.2 整流變壓器的參數(shù)計算應(yīng)考慮因素最小觸發(fā)延遲角。一般可逆系統(tǒng)的取，不可逆系統(tǒng)的取。電網(wǎng)電壓波動。電網(wǎng)電壓波動范圍為+5%-10%，為在電網(wǎng)最低時仍能保證最大整流輸出電壓的要求，通常取電壓波動系數(shù)b=0.91.05。我們在這取b=0.9。漏抗產(chǎn)生的換相壓降。晶閘管的正向?qū)▔航祅。4.2.3 二次相電壓的計算對用于電樞電壓反饋的調(diào)速系統(tǒng)的整流變壓器，有(1)式(1)中：為變壓器二次相電壓，V;為電動機的額定電壓，V；為整流變壓器計算系數(shù)；b為電網(wǎng)電壓

21、波動系數(shù)，取b=0.90；為晶閘管的觸發(fā)延遲角；為換相電感壓降計算系數(shù)；為變壓器阻抗電壓比，100KV以下取0.05，容量越大，也越大（最大為0.1）；為變壓器的最大工作電流，它與電動機的最大電流相等，A；為電動機的額定電流，A；4.3 整流變壓器二次相電流的計算4.3.1 二次相電流的計算二次相電流計算公式如下： (2) 式（2）中：為二次相電流計算系數(shù)；為整流器額定直流電流。4.3.2 一次相電流的計算： (3)式（3）中：為一次相電流計算系數(shù)；為變壓器的電壓比?？紤]到變壓器自身的勵磁電流時，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)。4.4 變壓器的容量計算一次容量： (4)二次容量： (5)平均總?cè)萘浚?/p>

22、 (6)式中：、為變壓器一、二次繞組相數(shù)，對于三相全控橋；為一次相電流計算系數(shù)；為整流器空載電壓；為整流電壓計算系數(shù)。4.5 整流器的計算4.5.1 晶閘管選擇 額定電壓選擇: （7）式(7)中：為晶閘管的電壓計算系數(shù)；為變壓器二次相電壓。 額定電流選擇: （8） 式(8)中： 為晶閘管電流計算系數(shù)；為整流器輸出最大平均電流。 考慮到當(dāng)采用晶閘管作為電樞供電時，取為電動機工作電流的最大值。4.6 平波和均衡電抗器4.6.1 平博和均衡電抗器在主回路中的作用和布置 為限制晶閘管整流電流的脈動、保持電流連續(xù)，常在爭流的直流輸出側(cè)接入平博電抗器。有環(huán)流可逆系統(tǒng)中，常在環(huán)流通路中串入均衡電抗器，將環(huán)流

23、限制在一定數(shù)值內(nèi)。電抗器在回路中的位置不同，其作用不同。對于不可逆系統(tǒng)，在電動機電樞端串聯(lián)一個平波電抗器，使得電動機負載得到平滑的直流電流，取合適的電感量，能使電動機在正常工作范圍內(nèi)不出現(xiàn)電流斷續(xù)，還能抑制短路電流上升率。4.6.2 平波和均衡電抗器選擇求平波電抗器的電感值的方法 在一個整流電路中，通常包含有電動機電樞電抗、變壓器漏抗和外接電抗器的電抗三部分，因此我們首先應(yīng)求出電動機點數(shù)及整流器變壓器的漏感，然后求出需要的外界電抗器的電感值。 電動機的電感: （9）式（9）中：為直流電動機磁極對數(shù)；為直流電動機的額定轉(zhuǎn)速；為計算系數(shù)，有補償電動機取56。整流器變壓器折合到二次側(cè)的每相漏感（mH

24、）： （10）式（10）中：為計算系數(shù)，三相全橋取3.9；為整流變壓器短路電壓百分比，一般取1.0。保證電流連續(xù)所需電抗器的電感值： （11）式（11）中：為系數(shù)，取2。限制電流脈動所需電抗器的電感值： （12）式（12）中：為系數(shù)，取2。 選擇的平波電抗器圖5 三相橋式全控整流電路帶平波電抗器4.7 晶閘管保護4.7.1 提出問題 晶閘管是整流裝置的核心器件，但是其過載能力有限，所以對晶閘管必須進行兩端的過電壓和過電流進行保護。4.7.2 解決措施我們可選用快速熔斷器進行過電流保護。因為快速熔斷器有快速熔斷特性，熔斷時間小于20ms，能保證在晶閘管損壞前自身熔斷。帶熔斷器電路圖如下圖6：圖6

25、 三相橋式全控整流帶熔斷器快速熔斷器額定電壓 快速熔斷器的額定電流 其中， 是實際流過晶閘管的最大額定電流 我們選用直流側(cè)過電壓保護措施，而且選用壓敏電阻保護方式，因為成本低，結(jié)構(gòu)簡單。壓敏電阻標(biāo)稱電壓其中為正常工作時加在壓敏電阻兩端的直流電壓，V。4.8 觸發(fā)裝置的選擇我們選用KC04集成觸發(fā)電路，其優(yōu)點是體積小，功耗小，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定可靠。缺點是移相范圍小，為保證觸發(fā)脈沖對稱寬度，要求交流電壓波形畸變率小于5%。適應(yīng)范圍是廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。圖7 KC04集成觸發(fā)電路原理圖5 調(diào)節(jié)器的設(shè)計5.1 設(shè)計調(diào)節(jié)器的原則 為了保證直流電機的轉(zhuǎn)速的高精度、無靜差和高可靠性運行，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)

26、速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：（1）保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)；（2）保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；（3）減少轉(zhuǎn)速超調(diào)量。 為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的需要。 建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所需遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計算公式，而且指明參數(shù)調(diào)整方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；（5）使用與各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)； 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)工程設(shè)計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

27、時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就是設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。 遵循一般原則，我們從內(nèi)環(huán)至外環(huán)開始設(shè)計，所以我們首先設(shè)計電流環(huán)（即內(nèi)環(huán)），然后設(shè)計我們的轉(zhuǎn)速環(huán)（即外環(huán)）。許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的表示為： ()t根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、型、型系統(tǒng)。自動控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的，而型及型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用型、型系統(tǒng)，典型的型、型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為： 一般說來典型型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以

28、做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖耍谵D(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計為型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時間常數(shù)Ts和電流濾波時間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi。這樣，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計成典型型系統(tǒng)，同理，經(jīng)

29、過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成PI型調(diào)節(jié)器，如下形式所示: 5.2 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計5.2.1 確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)：電流濾波時間常數(shù)：電流環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理： 電流反饋系數(shù)：機電時間常數(shù)：整流裝置觸發(fā)放大倍數(shù)：5.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)工程設(shè)計指標(biāo)，電流超調(diào)量，并且保證穩(wěn)態(tài)無誤差，由于有因此電流環(huán)可采用典型型系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)器我們采用PI調(diào)節(jié)器，利用其積分飽和特性和比例放大特性，可以滿足無靜差設(shè)計要求。其傳遞函數(shù)為：5.2.3 計算選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流超前時間常數(shù)：電流環(huán)的開環(huán)增益：要求，取，因此從而ACR的

30、比例系數(shù)為:5.2.4 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管裝置近似傳遞函數(shù)：因此滿足設(shè)計要求。忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： 因此滿足設(shè)計要求。電流環(huán)小時間常數(shù)的近似處理條件： 因此滿足設(shè)計要求。5.2.5 計算電流調(diào)節(jié)器的電阻與電容參數(shù)采用運算放大器取 各電阻和各電容的計算如下：根據(jù) 可得:根據(jù) 可得:根據(jù)，可得:按照以上參數(shù)我們可以確定電流環(huán)的電流超調(diào)量為4.3%<5%,因此我們電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計是滿足設(shè)計要求的。PI調(diào)節(jié)器電路結(jié)構(gòu)圖如圖8所示：圖8 電流調(diào)節(jié)器5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計5.3.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，我們應(yīng)把以設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速環(huán)中

31、的一個等效環(huán)節(jié)，等效方法是我們自動化專業(yè)定性和定量分析的核心方法之一，因此我們以典型型系統(tǒng)設(shè)計的電流環(huán)等效傳遞函數(shù)求取。電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 把上式經(jīng)過降階、近似處理后，可得 5.3.2 確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)因為在電流調(diào)節(jié)器中，可知，因此轉(zhuǎn)速濾波常數(shù)：轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：5.3.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)工程設(shè)計要求，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是無靜差調(diào)節(jié)器，由此我們便知調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)；根據(jù)動態(tài)指標(biāo)設(shè)計要求，我們必須采用典型型系統(tǒng)。因此ASR采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如下：調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:5.3.4 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，經(jīng)查

32、表可知，取h=5，因此我們可求得ASR的超前時間常數(shù)為:同時我們可以求出轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:因此ASR的比例系數(shù)為:5.3.5 校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率: 校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：因此符合設(shè)計要求。檢驗小時間常數(shù)近似處理條件： 因此符合設(shè)計要求。校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量。我們查表可知，當(dāng)h=5時， 而轉(zhuǎn)速降因此轉(zhuǎn)速超調(diào)量為:由此可知，我們的工程理論設(shè)計是滿足設(shè)計要求的。5.3.6 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)按照所用運算放大器，取，各電阻和各電容值為 根據(jù)， 可得:根據(jù) 可得:根據(jù)，可得:按照以上參數(shù)我們可以確定電流環(huán)的電流超調(diào)量為4.3%<5%,因此我們電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計是滿足設(shè)計要求的。PI調(diào)節(jié)器電

33、路結(jié)構(gòu)圖如圖9所示：圖9 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6 電氣原理總圖及MATLAB仿真圖我們對所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行MATLAB仿真，仿真圖如圖10所示：圖10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總電氣圖仿真圖轉(zhuǎn)速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖11所示：圖11 轉(zhuǎn)速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果分析：圖上部為轉(zhuǎn)速曲線，下部為電流曲線。因為開環(huán)系統(tǒng)中沒有反饋信號，而電機在帶載的一瞬間要有一個做功的過程，也就是建立系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)的過程，這部分功需要增大電機的電流來補償，同時也會犧牲一部分動能，也就是電機的轉(zhuǎn)速，所以產(chǎn)生了靜態(tài)速降。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖12所示：圖12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果分析：圖上部為電機轉(zhuǎn)速曲線，中部為

34、擾動電流曲線，下部為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(huán)將電機速度提高，并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。在第二秒時，外加一擾動信號，此時轉(zhuǎn)速受擾動信號影響有所下降，但因為轉(zhuǎn)速環(huán)的作用重新將轉(zhuǎn)速拉入穩(wěn)定值。7 工程上應(yīng)注意的問題7.1 轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)根據(jù)經(jīng)典控制理論，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)h確定以后，無論穩(wěn)定轉(zhuǎn)速怎么變化，轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量都不會變化，但是我們回頭進行定量分析時，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量的值也隨著變化的。所以我們確定退出飽和超調(diào)量是與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速有關(guān)的。7.2 反電動勢對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速退出飽和超調(diào)量的影響根據(jù)我們設(shè)計的電流環(huán)可知，檢驗反電動勢的近似條件時，的確是滿足要求的，但是我們并沒有考慮到反電動勢對轉(zhuǎn)速環(huán)是否滿足要求，經(jīng)檢驗得到，檢驗值大于轉(zhuǎn)速截止頻率，因此我們在這次工程