控制系统（1）课程设计指导书1
2012-2013学年第一学期 班 级： 电气定单2009级一班
指导教师：张开如
一、课程设计任务书
1.课程设计题目：双闭环直流调速系统的设计 2.课程设计主要参考资料
（1）电力拖动自动控制系统-运动控制系统，陈伯时主编，第3、4版，机械工业出版社 （2）电力电子技术（教材），王兆安，黄俊主编，机械工业出版社 （3）电力电子技术，孙树朴等编著，2000.7，中国矿业大学出版社 3.课程设计应解决主要问题
（1）推导双闭环调速系统的静特性方程式：工作段和下垂段静特性方程式； （2）计算系统的稳态参数；
（3）用工程设计方法进行动态设计，确定ASR和ACR结构并选择参数（注：应考虑给定和反馈滤波）；
（4）画出三相全控桥式晶闸管整流电路图，计算晶闸管定额参数（电压、电流等）。 4.课程设计相关附件
这一项不填（所有相关图纸画在设计过程中的相关位置）。 5.时间安排
共四周：2012.8.27～2012.9.21。
第一、二周：2012.8.27～2012.9.7理论设计。要求：根据指导书进行设计。
第三、四周：2012.9.10～2012.9.21实验室调试（根据实验室情况，可以延期到四周后的周六或周日做实验）。
二、已知条件及控制对象的基本参数
（1）已知电动机参数为：额定功率PN=3kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=17.5A，额定转速nN=1500r/min，电枢绕组电阻Ra=1.25Ω，GD2=3.53N·m2。
（2）采用三相全控桥式晶闸管整流，整流装置内阻Rrec =1.3Ω。平波电抗器电阻RL=0.3Ω。整流回路总电感L=200mH（考虑了变压器漏感等）。
（3）采用速度、电流双闭环调节。这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出Uim*=-10V，ACR限幅输出Uctm=10V，ASR和ACR的输入电阻Ro=20KΩ，最大给定Unm*=10V，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电流Idbl=2.1IN ，临界截止电流Idcr=2IN。
（4）设计指标：电流超调量σi %≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间 t S≤1.5s。 三、设计要求
（1）画出双闭环调速系统的电路原理图和系统的稳态结构图（设ASR和ACR均采用PI调节器）； （2）推导系统的静特性方程式：工作段和下垂段静特性方程式；
（3）计算系统的稳态参数，包括：推导计算KASR公式、推导计算KACR公式；计算Ce、ncr(临界截止电流Idcr对应的电动机转速)、电流反馈系数β、KASR、KS和KACR；
（4）用工程设计方法进行动态设计，决定ASR和ACR结构并选择参数（注：应考虑给定和反馈滤波）；
（5）动态设计过程中画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图； （6）画出三相全控桥式晶闸管整流电路图，计算晶闸管定额参数； （7）（此小题为选做）若选用锯齿波垂直移相相控触发电路，试画出与电流调节器输出信号和各晶闸管的连接线路图，并选择触发电路同步电压（画出晶闸管主电路及同步变压器）。 四、设计方法及步骤
1.稳态设计
（1）画系统的稳态结构图时，应先画出电路原理图，而此时的PI调节器只有两种状态：饱和-输出达到限幅植，不饱和-输出未达到限幅植。参考教材。
（2）在推导系统的静特性方程式时，注意所谓工作段是指调节器的输出未达到限幅植，此时的稳态结构图参考教材。下垂段静特性方程式是指速度调节器的输出达到限幅植，此时只有电流环起
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作用。据此即可推导出系统的静特性方程式。
（3）将工作段的静特性方程式用相对值表示时，可得到
RId?Idn?1???1?s1?s2 **noKASRKACRKsUnKASRUn由于KASRKACRKS??KASR，所以系统的静差率主要为s2起作用，而s1可以忽略不计。故系统的静差率可近似表示为
s?s2??IN*KASRUnmin??IN*KASRUnm/D
所以 KASR??IN*sUnm/D
由于电动机堵转时n=0,Id=Idbl,代人下垂段静特性方程式，可得到一方程。另堵转电流Idbl和临界
截止电流Idcr在一条特性曲线上，故可将ncr和临界截止电流Idcr也代入下垂段静特性方程式得到另一方程，由这两方程即可推导出计算KACR的公式。
由于静特性是线性的，所以ncr=nN-ΔnN。
计算电流反馈系数β时应考虑最大电流情况；同样计算KS也应考虑最大电流情况。 2.电流环的动态设计
系统动态设计一般原则是“先内环后外环”，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
先应绘出双闭环调速系统的动态结构图，然后先将电流环挑出并设计好，电流环设计可分为以下几个步骤：
? 电流环结构图的简化 ? 电流调节器结构的选择 ? 电流调节器的参数计算 ? 电流调节器的实现
（1）电流环动态结构图及简化 简化内容：
? 忽略反电动势的动态影响
? 等效成单位负反馈系统小惯性环节近似处理
1)忽略反电动势的动态影响，即?E≈0。这时，绘出电流环的动态结构图。 2)等效成单位负反馈系统
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /? ，则电 流环便等效成单位负反馈系统，绘出单位反馈形式的动态结构图。
3)小惯性环节近似处理
最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而地看作是一个惯性环节，绘 出近似后的单位反馈形式的动态结构图。其中T∑i=Ts +Toi。
（2）电流调节器结构的选择 典型系统的选择：
? 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。
? 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。
由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成
WACR(s)?Ki(?is?1)
?is式中 Ki—电流调节器的比例系数；
?i—电流调节器的超前时间常数。
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择电流环的动态结构图，并绘出单位
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反馈形式的动态结构图和开环对数幅频特性。其中
KI?KiKs? ?iR（3）电流调节器参数计算
在一般情况下，希望电流超调量?i<5%，由教材查表，可选?=0707，KIT?i=0.5，则
KI??ci?和 Ki?1 2T?iTlRTR?(l)
2Ks?T?i2Ks?T?i注意：
如果实际系统要求的跟随性能指标不同，应作相应的改变。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。
（4）电流调节器的实现
绘出模拟式电流调节器电路图，并进行电流调节器电路参数的计算。对需要的参数应进行一一计算。
1)确定时间常数
根据已知数据得：UN?E?INRa，E?CenN?UN?INRa，Ce?(UN?INRa)nN
Cm?30Ce/?。
2机电时间常数为：Tm?GD?R)375CeCm，Tl?LR，R?Ra?Rrec?RL
三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间Ts=0.0017s；三相桥式整流电路每个波头的时间为3.3ms，应有（1~2）Toi=3.3ms。因此，取电流反馈滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。可得电流环的小时间常数之和为：TΣi=Ts+Toi
2）选择电流调节器结构
验证Tl/TΣi是否大于10。若大于，但由于对电流超调量有较严格要求，根据设计要求，电流超调量σi %≤5%，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计。
电流调节器选用PI调节器，其传递函数为
WACR?Ki?is?1?is3)选择电流调节器参数
积分时间常数τi=Tl=L/R。为满足σi%≤5%要求，应取KIT?i?0.5，所以电流环开环增益KI为
UctmKI?iR0.5??K?KI?，于是，电流调节器比例系数Ki为i（式中）。
?KsIdblT?i由于调节器的输入电阻Ro=20KΩ，可以计算出电流调节器的各参数，并取为标称植。根据计算
的参数验证可否达到的动态指标为σi%=4.3%的设计要求。
4）校验近似条件
a.按电流环截至频率ωci=KI，校验晶闸管装置传递函数近似条件：?ci?b.按忽略反电动势影响的近似条件：?ci?3c.按小时间常数近似处理条件为?ci?1。 3Ts1。 TmTl11。
3TsToi3.转速环的动态设计
转速环的动态设计可分为以下几个步骤： ? 电流环的等效闭环传递函数
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