运动控制系统课程设计说明书--按典型II型校正闭环直流调速系统.docVIP

按典型Ⅱ型校正闭环直流调速系统 1 概论 在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。针对单闭环系统采用的借助伯德图设计串联校正装置的方法，当然也适用于双闭环系统。问题是设计每一个调节器时，都须先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复试凑，才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数。反复试凑过程也就是系统的稳、准、快和抗干扰诸方面矛盾的正确解决过程，需要有熟练的设计技巧才行。于是便产生建立便实用的工程设计方法的必要性。 现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图标，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式或图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。 有了必要性和可能性，各种工程设计方法便相继提出。其中有德国西门子公司提出的“调节器最佳整定”法，包括“模最佳”和“对称最佳”两种参数设计方法，传入我国后，习惯上分别称作“二阶最佳”和“三阶最佳”设计。这种方法已在国际上普遍应用，其公式简明好记，但也存在一些问题，例如：只有所谓的“最佳”参数计算公式，调试系统时，如果系统性能不够满意，不能明确调整方向；特别是没有考虑到调节器饱和这一关键问题，使计算结果存在不小的误差。笔者经过对该方法的深入分析研究，并吸取随动系统设计用的“振荡指标法”和我国学者提出的“模型系统法”的长处，归纳出调节器的工程设计方法，经过一段时间的应用与实践，已证明是实用有效的。 建立调节器工程设计方法所遵循的原则是： 概念清楚、易懂。 计算公式简明、好记。 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向。 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式。 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 如果要求更精确的动态性能，可参考“模型系统法”。对于复杂的不可能简化成典型系统的情况，可采用高阶系统或多变量系统的计算机辅助分析和设计。 本题中，我们运用典型Ⅱ型系统的特性指标来校正直流调速系统，使得调速系统的抗扰能力得到了进一步的加强。 2 方案论证 2.1稳态转速的实现 所谓稳速，就是指以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以保证产品质量。为了实现稳态转速，就要求实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节。 PWM系统有下列优点： （1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右； （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 2.2 PI调节器功能的实现 PI调节器的结构如下图所式： 图1 PI调节器的结构图 由图可得： ：PI调节器比例部分的放大系数 ：PI调节器积分时间常数 PI调节器的传递函数为： 2.3转速无静差的实现 因为在起动期间需要保持电枢电流基本恒定不变，在稳定运行期间需要保持电动机的转速基本恒定不变，应该有如图2所示的静特性。 图2 双闭环直流调速系统得静特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。 分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。 PI调节器输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据