自動控制論文

1、徐州師范大學(xué)試卷（2010-2011學(xué)年度 1 學(xué)期）課程名稱 ： 自動控制原理 試卷類型：（開卷） 學(xué) 院 電氣工程及自動化學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)老師 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 摘要：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性硬，調(diào)速范圍寬，而且是無級調(diào)速，所以可對直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速。動靜態(tài)性能好，抗擾性能佳。速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動，采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點在階躍擾動時無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計成典型型系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電

2、流兩種負(fù)反，饋分別起作用，可在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)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)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 Double closed loop dc speed control system designXuzhou Chen Zhan Qin(xuzhou normal university institute of electrical engineerin

3、g and automation 221116)Abstract :Double closed loop dc speed control system mechanical characteristic hard, wide range of speed, and is stepless speed regulation, so can of dc motor for pressure regulating speed. Dynamic and static performance is good, anti interference performance preferred. Adjus

4、table speed and resistance to load and the disturbance, adopt double closed loop speed regulating has wide range, high accuracy, good dynamic performance and easy to control the advantages in the Laplace domain disturbance without steady-state error, and has good performance and speed loop crosstalk

5、 resistant design into typical type system. Dc speed control system PI adjuster, can obtain good dynamic and static effect. Current loop correction into typical type I system. For the system to realize speed and current two negative feedback effect against, respectively, can be in regulating system

6、design two regulator, respectively introduced the current negative feedback speed negative feedback and. Implement nested connection between them. The speed regulator output as current regulator of input, reoccupy current regulator output to control power electronic converters UPE. From closed loop

7、of the structure, current loop inside, called the inner loop, Speed loop outside, called outer ring, forming speed and the current double closed loop speed regulation system. Keywords：dc speed control double closed loop speed regulator current regulator1調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(

8、ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 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，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖所示給定電壓Un速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器三相集成觸發(fā)器三相全控橋直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電流檢測Un+UcU

9、dU*i+IdId圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為了獲得良好的靜、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)。其原理圖如圖2所示：圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖雙直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響1.1閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理: 電動機(jī)在啟動階段,電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,

10、速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機(jī)以最大電流恒流加速啟動。電動機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時

11、間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),可以在電動機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。ASR+-ACR+UcUd0Id-IdL+-nE電流內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速外環(huán)圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖：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(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)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等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速

12、發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計2.1晶閘管-電動機(jī)主電路的設(shè)計 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖2-2所示：圖2-1 V-M系統(tǒng)主電路原理圖圖中VT是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖2-3所示：圖2-2 三相全控橋式整流電路通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動脈沖的相位，即可改變平均

13、整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。該三相全控橋式整流電路中變壓器的二次側(cè)串一電阻是保護(hù)元器件，使能量得以釋放，以保證晶閘管裝置的可靠工作。2.2電流調(diào)節(jié)器設(shè)計如圖2-3圖2-3電流調(diào)節(jié)器2.21確定時間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時間常數(shù)。三相電路的平均失控時間：=0.0017s (2) 電流濾波時間常數(shù)。=0.00335s (3) 電流環(huán)最小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取為：=+=0.00505s 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)假設(shè)要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為： = 檢查對電源電壓的抗擾性能：電磁時間常數(shù)T

14、L=0.0216s 符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標(biāo)都可以接受。計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：=0.0216s。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%，應(yīng)取=0.5，因此： 于是，ACR的比例系統(tǒng)為：計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取運(yùn)算放大器的=20，有=3.3720=67,，取3，取0.2。故=1923速度調(diào)節(jié)器設(shè)計如圖2-5圖2-4速度調(diào)節(jié)器2.3.1確定時間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時間常數(shù) 2Ti=0.0101s (2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.00335s (3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，?。?選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按

15、跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：n= hTn0.673s并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： 則可得ASR的比例系數(shù)為： 2.3.2計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取=20，則，取1550。，取0.04故=12243.3轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速的檢測可把接到一個測速發(fā)電機(jī)上即可檢測轉(zhuǎn)速，如圖2-55所示：圖2-5轉(zhuǎn)速檢測電路3.3.1電流檢測電路設(shè)計使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把接到霍爾傳感器上。霍爾效應(yīng)傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖2-6所示：圖2-6電流檢測電路3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的仿真及各部分的作用3.1系

16、統(tǒng)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系和電流與時間的關(guān)系如圖 3-1由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調(diào)節(jié)器它的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。3.1.1仿真波形分析從圖4的波形中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：第階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達(dá)到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升

17、到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值 n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達(dá)到最大值后，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，電機(jī)才開始在負(fù)載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在

18、這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時其調(diào)節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為： 1). 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2). 電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。4.雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能的分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。1 抗負(fù)載擾動由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作