课程设计--双闭环调速系统

目录页第一章绪论 (2)1-1课题背景，实验目的与实验设备 (2)1-2国内外研究情况 (3)第二章双闭环调速系统设计理论 (3)2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3)2-2系统的静，动态性能指标 (4)2-3非典型系统的典型化 (6)2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7)第三章模型参数测定和模型建立 (9)3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9)3-2模型测定实验的计算分析 (11)3-3系统模型仿真和误差分析 (18)第四章工程设计方法设计和整定转速，电流反馈调速系统 (22)4-1 设计整定的思路 (22)4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正，简化 (23)4-3转速调节器的整定和转速环的校正，简化 (25)4-4系统的实际运行整定 (27)4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨 (33)第五章设计分析和心得总结 (34)5-1实验中出现的问题 (34)5-2实验心得体会 (35)第六章实验原始数据 (38)6-1建模测定数据 (38)6-2 系统调试实验数据 (39)第一章绪论1-1课题背景，实验目的与实验设备转速，电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统，它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的，用传递函数建立动态数学模型，并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律，用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。

转速，电流反馈控制的调速系统是一种串级系统，所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别，但又有不同于一般串级系统的。

本次实验的主要目的是针对一套调速系统（包括电源，电机，励磁回路等）建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数，投入运行。

实验正值暑期实践及国际交流周，我们将用两周的时间来完成参数测定实验，系统建模，调节器整定和系统投入运行。

本次实验的实验设备包括：实验设计的基本要求是：性能指标静态静差率%s<5%调速范围Ds 3 (483rpm-1450rpm)动态电流超调量%iσ<5%转速超调量%nσ<10%实验装置型号规格备注电力电子传动平台MCL-Ⅲ实验平台示波器TDS-1012 带宽100MHZ最高采样频率1GS/s 得到转速，电流波形，调节参数时参考数字万用表GDM-8145 测量电阻，电压1-2国内外研究情况虽然目前的直流调速系统已经十分成熟，调速系统的信号给定已经做成集成电路，许多逻辑判断通过嵌入式系统或者工业控制机加入调速系统，但对它乃至电力拖动系统的研究是不会结束的，当前国内外关于电力拖动系统的研究主要集中在①应用现代控制理论，经典控制理论虽然物理概念明确，理论分析直观，但存在不能实现最优控制和大系统控制等问题。

随着离散控制器及其理论的发展，现代控制理论有了用武之地。

高性能的计算机可以实时完成复杂的运算；系统辨识，参数估计和算法鲁棒性上的应用，大幅改善了控制效果。

②研发新型的电力电子器件，随着电力电子器件走向耐高压，大功率，高频化和智能化，新型的电力拖动系统能拥有更可靠的性能，能适应更极端的工作条件。

③与嵌入式操作系统结合，嵌入式操作系统的加入能使电力拖动系统拥有更强大的功能，包括联网的云检测故障，大系统的协调工作等，此外，基于Linux 的数字伺服系统无疑是目前的研究热点。

第二章 双闭环调速系统设计理论2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统双闭环调速系统中，无论是电机还是调节器都被看成一个拉普拉斯变换成的s 域模型，这些环节通过串并联合反馈连接在一起，构成了系统，要对系统进行分析，就要先清楚一些典型系统的特性。

典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统的区别在于原点处零极点的个数不同，而除原点外其他处的零极点个数则区分了同一典型系统的不同系统。

典型Ⅰ型的开环传递函数结构为)1()(+=Ts s Ks WT ,K 分别为系统的惯性时间常数和开环增益。

典型Ⅱ型的开环传递函数结构为)1()1()(2++=Ts s s K s W τ )1(+s τ为一个比例微分因子，附带了惯性环节11+Ts ，比例微分因子存在的的作用是把系统的相频特性提升到 180-线以上，保证系统的稳定。

典型Ⅰ型的闭环传递函数结构为2222)(nn ncl s s W ωξωω++= TKn =ω 为系统的自然振荡频率 KT121=ξ为系统的阻尼比 典型Ⅰ型的闭环传递函数结构为112121)(222332++++++=hTs s T h h s T h h hTs s W cl h 为斜率为20dB/dec -的中频段宽度。

对于Ⅰ型系统而言，开环增益K 越大，截至频率c ω也越大，系统的响应也越快，但是相角裕量裕量γ会变小，在响应上的表现就是调节时间变短，但是振荡会加剧。

2-2系统的静，动态性能指标在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静，动态性能，而要衡量调节器的设置和调整是否恰当，就需要一些相应的指标。

这些指标包括两大类，在下表中列出跟随性能特性名称 备注上升时间输出量第一次上升到稳态值所用的时间超调量 输出量超过稳态值最大时与稳态值差值比上稳态值 峰值时间 输出量上升到最大值所用时间调节时间输出量稳定在稳态值附近一定范围内所用时间抗扰性能特性动态降落 稳态运行时突加负扰动造成的输出量降落 恢复时间稳态运行时突加扰动后输出稳定在一定范围的时间表2-1 性能指标及其定义Ⅰ型系统的闭环系统是一个二阶系统，它的暂态响应特性指标与系统的阻尼比和自然振荡频率有关，并且可以归纳成下表表2-2 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系Ⅱ型系统的闭环系统是一个三阶系统，可以将它用主导零极点法简化成二阶系统进行分析，它的跟随性能指标也可以归纳为表2-3 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标2-3非典型系统的典型化实际控制对象的传递函数多种多样，往往受很多参数影响，并且直接由微分方程建立的是高次模型。

为了构造成低阶的典型系统，需要做许多近似处理，包括，1.高频段小惯性环节的近似处理当高频段有几个小时间常数（1T ,2T …）时，用一个小时间常数T 来代替，并且有⋯++=21T T T2.高阶系统降阶近似处理考察一般情况下的高阶系统1)(23+++=cs bs as Ks W系统稳定，即存在a bc >则忽略系统的高次项，将系统简化为11)(`+=cs s W3.低频段大惯性环节近似处理当系统中存在时间常数特别大的惯性环节11+Ts 时，存在近似条件 Tc 3≥ω,或者10≥T ω 则惯性环节可以等效为Ts1，事实上，等效后的相角裕量减小了，也就是说如果等效后的系统可以稳定的话，等效前的系统一定稳定，这也充分证明了这种等效是可用的。

2-4转速调节器和电流调节器的设计 1.设计内环的电流调节器ACR首先要对电流内环进行简化，忽略反电动势的影响，再将内环等效为单位负反馈，进行小惯性环节近似处理，可以得到图2-2 电流内环的简化其中 s T 和 oi T 一般都比l T 小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为oi s i T T T +=∑设计出电流调节器后将电流环作等效处理121)(+=∑s T s W i cli而内环可以简化为典型Ⅰ型环节，从而在稳态性能上得到电流无静差，在暂态性能上有较强的跟踪能力。

系统参数要求满足m l T T << l oi s T T T <<, 10/<m l T T由性能指标就可以求出系统的开环增益和调节器的比例增益系数i Kii i i i C R R R K ==τ0/由增益和时间常数设计出调节器图2-3 ACR 和ASR 所用的带滤波PI 调节器最后将电流环简化成一个典型Ⅰ型系统，作为外环的一个环节 2.设计转速调节器ASR进行小时间常数近似处理on i n T T T +=∑∑2图2-4 简化后的转速环将转速环校正为典型Ⅱ系统，以保证转速环的抗扰动能力。

再计算转速调节器的比例增益和时间常数0R R K n n = n n n C R =τ从而得到转速调节器的电阻和电容值第三章 模型参数测定和模型建立3-1系统模型参数测定实验步骤和原理名称 测量方法注意事项实测值 电枢内阻a R接通电源，施加给定，使电枢电流保持在1A ，但是断开励磁回路和负载回路，在电机静止的状态下，手动旋转电机转轴，在互成120夹角的三点测出电枢内阻的大小，然后取平均值。

1.理论上在不加励磁磁通时电机是不会旋转的，但有时电机会因为剩磁而出现缓慢旋转，这时要反接励磁磁通去掉剩磁载接回原来的电路。

2.三次测量的差值反映了电机制作的规整度，主要收电机的转轴偏离中心程度和换向片和电刷的接触电阻。

电枢端电压ra U , 电源端电压d U 电枢电流d I电动势转速系数e C利用电机的机械特性方程联立，消去未知的电枢回路电阻，仅由两次测量的电压差值和转速差值求出电动势转速系数e d d C RI U n 011-=ed d C RI U n 022-=1.两组数据通过改变给定电压ct U 得到，只需要测端电压和转速，不需要关心电枢电流，励磁回路也要。

2.不需要关心电枢电流的前提是测量几组数据时电枢回路的电阻不能改变，特别是串接的起动电阻。

3.磁通量显然会影响转速系数，也不能改变。

电源端电压d U电机转速n2121n n U U C d d e --=电源等效内阻n R断开励磁回路，固定给定电压ct U 在0.2A 到0.8A 间（实验中是0.5A ），改变电枢串联回路的阻值，得到两组端电压和电枢电流的值1212d d d d n I I U U R --=1.励磁回路和负载回路要断开。

2.测电源内阻的方法是伏安法，电枢的端电压和电流的端电压也是电源等效内阻的端电压和端电流，用两组数据联立电源端电压d U 电枢电流d I电源放大系数s K保持励磁回路断开，分级调节给定电压ct U ，并保持电枢电流d I 始终小于1A （实验中为了计算方便，保持电枢电流始终在0.5A ），利用n d d d R I U U +=01010ct ct d d ct d U U U U U U Ks --=∆∆=求出一组Ks ，再取平均值1.断开励磁后要小心调整给定电压，否则很容易过流。

2.记录每一次测出数据时的电流。

3.测量组数分布要调整好，例如如果要研究电源的饱和现象要在电压都较大时多取点。

电枢电流d I电源端电压d U 给定电压ct U平波电感内阻d R 不通电的情况下，用万用表直接测电感的阻值。

1.不能通电，此时是由万用表本身供电的。

电感内阻d R电枢回路总电阻∑R d a n R R R R ++=∑电磁时间常数l T用电感表测出电枢回路的总电感再除以总电阻，即 1.测量电感时所测电感在的回路要断开，否则就会偏小，相当于并联了其他电感电枢电感d I平波电感∑+=R L L T da l d L电枢回路总电阻∑R机电时间常数m T连上励磁回路，断开负载回路，突加给定使电机的峰值电枢电流达到堵转电流（实验中是1.4A ），记录转速n 和时间t 的波形图，利用以下公式可以计算出机电时间常数dzdm t t A B Zam am Z am e m Z a z a a m z ea I I t t Idt I T dtdi T I dt di C C R GD C T i dtdnGD I C i C T T C R I U n BA---=-=-==-=--=⎰∑∑)(375375221.dz dm I I ,分别为堵转电流和空载时的电流。