1双闭环系统中的转速微分负反馈(精)(可打印修改)

成绩运动控制系统课程设计题目: 带转速微分负反馈直流双闭环调试系统设计院系名称:专业班级:学生姓名:学号:指导教师:评语：电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。

直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

单闭环系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩干扰对转速稳态的影响。

但单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。

因此常采用双闭环系统，因为电流调节器是内环，因此首先设计电流调节器，对其进行必要的变化和近似处理，电流环设计完后，把电流环等效成转速环的一个环节进行处理，从而设计转速调节器。

再根据设计要求设计转速微分负反馈，使系统的转速无超调。

同时双闭环直流调速系统的设计进行了分析及其原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，并介绍电流调节器和转速调节器的设计和一些参数选择、计算，使其设计参数要求的指标。

关键词：双闭环系统电流调节器转速环转速微分负反馈1 概述 (1)2 设计要求与方案 (1)2.1 设计要求 (1)2.2 设计方案 (1)3 系统电路的设计 (3)3.1 转速给定电路的设计 (3)3.2 系统主电路的设计 (4)3.3 转速检测电路的设计 (5)3.4 电流检测电路的设计 (6)3.5 触发电路的设计 (7)3.6 电流调节器电路的设计 (9)3.7 转速调节器电路的设计 (10)3.8 转速微分负反馈电路的设计 (11)4 系统参数的整定 (12)4.1 电流调节器参数的整定 (12)4.1.1 电流调节器的简化与选型 (12)4.1.2 电流调节器参数的计算 (13)4.2 转速调节器参数的整定 (14)4.2.1 转速调节器的简化与选型 (14)4.2.2 转速调节器参数的计算 (16)4.2.2 转速微分负反馈的计算 (17)5 设计心得 (17)6 参考文献 (18)1概述闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。

（新）高级维修电工考试试题题库（附答案）1.20/5t桥式起重机的主电路包括了电源开关QS、交流接触器KM1~KM4、凸轮控制器SA4、电动机M1~M5、限位开关SQ1~SQ4等。

（ B）A正确 B错误2.20/5t桥式起重机的小车电动机可以由凸轮控制器实现启动、调速行业正反转控制。

（A ）A正确 B错误3.FX2N系列可编程控制器辅助继电器用T表示。

（ B）A正确 B错误（应该用M表示）4.时序逻辑电路通常由触发器件构成。

（ A）A正确 B错误5.测绘X62W铁床电气线路控制电路图时要画出控制变压器TC、按钮SB1~SB6、行程开关SQ1~SQ7、速度继电器KS、转换开关SA1~SA3、热继电器FR1~FR3等。

（B ）A正确 B错误6.晶闸管电路的同步是指触发电路与主电路在频率和相位上有相互协调、配合的关系。

（B ）A正确 B错误7.测绘T68镗床电气控制主电路图时要画出电源开关QS、熔断器FU1和FU2、接触器KM1~KM7、按钮SB1~SB5等。

（ B）A正确 B错误8.新购进的变频器已有默认参数设置，一般不用修改就可以直接使用。

（ B）A正确 B错误9.电磁式直流测速发电机虽然复杂，但因励磁电源外加，不受环境等因素的影响，其输出电动势斜率高，特性线性好。

（ B）A正确 B错误10. T68镗床电气控制主电路由电源开关QS、熔断器FU1和FU2、接触器KM1~KM7、热继电器FR、电动机M1和M2等组成。

（A）A、正确B、错误11. T68镗床电气线路控制电路由控制变压器TC、按钮SB1~SB5、行程开关SQ1~SQ8、中间继电器KA1和KA2、速度继电器KS、时间继电器KT等组成。

（B）A正确 B错误12.T68镗床的主轴电动机采用全压启动方法。

（ A）A正确 B错误13.X62W铣床进给电动机M2的前后（横向）和升降十字操作手柄上有上、中、下三个位置。

（B ）A正确 B错误14.X62W铣床主轴电动机M1的冲动控制是由位置开关SQ7接通反转接触器KM2一下。

第一章调速系统的方案选择直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的的应用。

近年来，虽然高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。

然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。

直流电动机的稳态转速可以表示为U ‒ IRn =（1-1）K e∅式中：n——转速（r/min）；U——电枢电压（V）；I——电枢电流（A）；R——电枢回路总电阻（Ω）；∅——励磁磁通（Wb）；K e——由电机结构决定的电动势常数。

由上式可以看出，有三种调速电动机的方法：1.调节电枢供电电压U；2.减弱励磁磁通∅；3.改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。

因此，采用变压调速来控制直流电动机。

1.1直流电动机的选择直流电动机的额定参数为：额定功率P N= 67KW ，额定电压U N= 230V ，额定电流I N= 291A ，额定转速n N = 1450 r min ，电动机的过载系数= 2 ，电枢电阻R a = 0.2Ω1.2电动机供电方案的选择电动机采用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小，带负载容量较大，其原理图如图1 所示。

三相桥式全控整流电路的特点：一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，晶闸管分为共阴极和共阳极。

1)有两个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管，且不能为同一相的晶闸管。

2)对触发脉冲的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6 的顺序，相位依次差60。

；共阴极组VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差120。

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双闭环系统中的转速微分负反馈
在有些情况下，系统可能会要求转速的超调量很小，或者系统根本不允许超调，这样就必须想办法抑制甚至消除转速的超调量，实现的方法是加入转速微分负反馈，使转速调节器退饱和的时间提前，即当转速接近希望转速转速调节器开始退饱和，而不用等到转速等于希望转速时才开始退饱和，这样就可以减小转速的超调量。

如果提前的时间合适，还可以消除转速的超调量。

引入转速微分负反馈的转速调节器如图1所示。

图中n C 0为滤波电容，可根据需要选择电容参数的大小。

dn R 和dn C 为转速微分环节，参数可以根据需要选择。

引入转速微分副反馈后，转速的变化过程如图2所示。

图中曲线1为没有转速微分负反馈时的转速，曲线2为引入转速微分负反馈时的转速。

由图以看出转速调节器退饱和时间提前了，转速的超调量也减小了。

双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。

如图设计的总框架。

双闭环直流调速系统设计总框架转速、电流双闭环直流调速系统ASR---转速调节器ACR---电流调节器TG---测速发电机TA---电流互感器UPE---电力电子变换器Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图直流调速系统的直流电源晶闸管-电动机调速系统(简称V-M 系统)的原理图。

V—M 系统原理确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts 。

由《电力拖动自动控制系统》课本附表可知，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s 。

（2）电流滤波时间常数Toi 。

三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms ，因此取Toi=2ms=0.002s 。

（3）电流环小时间常数之和i T Σ。

按小时间常数近似处理，取=Ts+Toi=0.0037s i T Σ。

（4）电磁时间常数l T 的确定。

由前述已求出电枢回路总电感。

21min 0.69314018.130.153.5l d U L K mH I ×===×则电磁时间常数18.130.03130.58l l L mH T s R Σ===Ω选择电流调节器的结构根据设计要求5%i σ≤，并保证稳态电流无静差，可按典型I 型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型调节器，其传递函数为()(1)i i ACR s i K s W s ττ+=式中i K ------电流调节器的比例系数；i τ-------电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：0.0313s ==8.460.0037sl i T T Σ,参照附表6.2的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I 型系统设计。

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控制系统设计与仿真课程设计报告带转速微分负反馈的双闭环控制系统班级：自动化四班实验学生：实验日期：2005年12月30日一 设计课题设计一个双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。

基本数据如下：1. 直流电动机：额定功率8KW ， 额定电压 220V ， 额定电流2A ，额定转速1600r/min ， e C =0.118Vmin/r, 允许过载倍数λ=1.5；2. 晶闸管装置放大系数：s K =30;3. 电枢回路总电阻：R=3Ω ;4. 时间常数：机电时间常数 m T =0.1 s, 电磁时间常数： L=1.46min2d I U =41.08.13246.1⨯⨯=482Mh1T =R L=3104823-⨯=0.16S; 5. 电流反馈系数：β=1.5V/A (10V/nom I ~10V/1.5nom I );6. 转速反馈系数：α=0.0055Vmin/r (10V/nom n ~10V/1.5nom n )；7. 反馈滤波时间常数:on T =0.02s,oi T =0.002s; . 二 设计要求稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量i σ≤5%； 空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%； 空载起动到额定转速时的过渡过程时间s t ≤0.5%。

三 设计方案1.参数计算：（一） 电流环的设计 1.确定时间常数（1）流装置的滞后时间常数Ts查表1-2，三相半波整流电路的平均失控时间 s T =0.00333s（2）电流滤波时间常数oi Toi T =0.002s( 3 ) 电流环小时间常数 i T ∑按小时间常数近似处理，取 s T T T oi s i 00533.0=+=∑ 2.选择电流调节器的结构 根据要求i σ≤5%100019.3000533.016.0>==∑i l T T 虽然=∑ilT T 100019.30>，但由于对电流超调量有严格要求，而抗扰性无具体要求，所以电流环仍按典型I 型系统设计，电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为：)(s ACR W =iK ss i i ττ1+ 3. 选择电流调节器参数：ACR 超前时间常数：i τ=l T =0.16s电流环开环增益：要求i σ%5≤时，应取：I K 5.0=oi T ，I K 8.9300533.05.05.0===oi T ㎜ ACR 的比例系数为：i K =00053.1305.1316.08.93=⨯⨯⨯=s i IK R K βτ 2 电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器原理图示于图2，图中i U *为电流调节器的给定电压，d I β-为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压ci U 。

目录摘要 (1)1 系统概述 (2)2 系统电路设计 (3)2.1 主电路设计 (3)2.2 控制电路设计 (4)2.2.1 触发电路设计 (4)2.2.2 调节器电路设计 (6)2.3 系统给定及偏移电源电路设计 (7)2.4 转速电流的检测 (8)3 系统工程设计 (8)3.1 电流调节器设计 (9)3.2 转速调节器设计 (11)附录：总体电路图 (13)总结与体会................................................. 错误！未定义书签。

参考文献：................................................. 错误！未定义书签。

摘要电力拖动自动控制系统是将电能转换成机械能的装置，它主要包括有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型。

而各种系统又往往都是通过控制转速来实现的，因此转速系统是最基本的电力拖动控制系统。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛应用。

晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），它相比于旋转变流机组及离子拖动变流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

本课程设计为V-M双闭环不可控直流调速系统设计，报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，然后对电路各元件进行参数计算，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数确定。

进而对双闭环调速系统有一个全面、深刻的了解。

关键词：直流调速晶闸管双闭环带转速微分负反馈直流双环调速系统设计1 系统概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛的应用。

直流双闭环调速系统设计1设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为: 直流电动机：V U N 750=,A I N 780=,min375rn N =，04.0=a R ,电枢电路总电阻R=0.1Ω，电枢电路总电感mH L 0.3=，电流允许过载倍数5.1=λ，折算到电动机轴的飞轮惯量224.11094Nm GD =. 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ,滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数⎪⎭⎫ ⎝⎛≈=N I V A V5.11201.0β 电压反馈系数⎪⎭⎫ ⎝⎛=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi ==V U U U cm im nm12===**；调节器输入电阻Ω=K R O 40。

设计要求： 稳态指标：无静差动态指标：电流超调量005≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量0010≤n σ。

目 录1设计任务与分析 ....................................................................................................................................... 2调速系统总体设计 ................................................................................................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计 .............................................................................................................. 3。

转速、电流反馈控制的直流调速系统09082009302540240陈骥3.10有一转速、电流双闭环直流调速系统，主电路采用三相桥式整流电路。

已知电动机参数为：min /375,760,750,550r n A I V U kW P N N N N ==== 电动势系数r V C e min/·82.1=,电枢回路总电阻Ω14.0=R ,y 允许电流过载倍数5.1=λ，触发整流环节的放大倍数,75=s K 电磁时间常数s T l 031.0=，机电时间常数s T m 112.0=，电流反馈滤波时间常数s T oi 002.0= 转速反馈滤波时间常数s T on 02.0=。

设调节器输入输出电压V U U U nm im nm 10**===，调节器输入电阻Ωk R 400=。

取参数5.0=KT 。

解：三相桥式整流电路的平均失控时间s T s 0017.0=，电流环小时间常数s T T T oi s i 0037.0=+=∑,要求电流超调量σi ≤ 5% ， 应取K I T i∑=0.5， 因K I=1.35S 1- 电流环等效时间常数1/K I =0.0074s 转速环小时间常数T n∑=1/K I +T on =0.0074+ 0.02=0.0274s电流反馈系数β=I NimU λ*=7605.110⨯=0.0088(V/A)转速反馈系数α=nNnmU *=37510=0.0267(V.min/r) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τi=Tl=0.031s 。

电流环开环增益：取KiT Σi=0.5，1.1350037.05.05.0===∑i I T KACR 的比例系数为选择转速调节器结构，其传递函数为WASR(s)=ss n nnK ττ)1(+按跟随和抗扰动性能都较好的原则，取h = 5,则ASR 的超前时间常数为τn=h Tn∑=5× 0.0274=0.137s转速环开环增益=KN2221∑+n T h h =220274.05215⨯⨯+=159.84s 2- 可得ASR 的比例系数为K n =TT C nme R h h ∑∂+2)1(β=0274.014.00267.052112.082.10088.06⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=10.51则此时得到所有有关数据 进行电流环仿真： 电路图如下所示888.00088.07514.0031.01.135=⨯⨯⨯==βτs i I i K R K K图（1）经由以上计算有 65.28,888.0====iii K Gain K Gain τ设置仿真时间为0~0.05s ，得到电流波形图（2）转速仿真,电路图如下：图（3）设置仿真时间为0-2s，step1为负载电流760A。

双闭环系统电动机的起动过程中电流和转速的变化情况由于系统中的惯性环节的存在，真实的起动过程分为三个阶段：①电流上升阶段这一阶段电枢电流从零快速上升到允许的最大值，为电动机的转速升高做好准备。

转速的变化很小。

②转速上升阶段这一阶段电流调节器起主要作用，维持电流为最大的允许过载电流，电动机的转速以最大的加速度升高到希望转速。

这一段的持续时间最长。

③转速稳定阶段当转速达到希望值时，由于惯性转速肯定超调，转速调节器的输出—电流调节器的给定减小，电流调节器使电动机的电枢电流减小，电动机的转速升高变慢，当电流降到负载电流时，电动机的转速最大。

电流调节器的输出继续减小，电枢电流随之减到负载电流以下，转速跟着减小。

经过一段时间的调整，转速达到稳态。

起动过程转速和电流的变化曲线画于下面的图1中。

起动过程的主要特征：①饱和非线性在系统突加给定转速调节器饱和到转速上升到希望转速之间转速调节器处于饱和状态。

这时转速调节器的输出为饱和值，转速变化对转调节器的输出没有影响，好象转速反馈线端开一样。

在这一段时间内系统呈现明显的非线性。

这一特性是因为转速调节器饱和引起的，所以称为饱和非线性。

②准时间最优在设备允许条件下实现起动过程时间最短的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动自动控制系统，在电动机允许的过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。

由于起动过程中电流不能突变，真实的起动过程和理想的过程有轻微区别，可称为“准时间最优控制”，这是和理想情况相对而言的。

③转速、电流超调转速调节器和电流调节器采用PI调节器时，转速和电流必然有超调。

可以采用其它的控制方法来抑制或消除超调。

基于微分负反馈的双闭环直流调速系统的研究
王莎;席自强;吴祖顺
【期刊名称】《测控技术》
【年(卷),期】2010(029)007
【摘要】电动机在启动过程中,转速的上升会导致最大电流产生回落,严重影响电动机的启动、制动以及反转的过渡过程.工程上普遍运用双闭环控制系统改善响应时间长这一缺点.但是随着现代电力电子技术的发展,传统的双闭环控制系统也开始出现转度超调、抗扰性能不强等缺点.因此,提出了一种基于转速微分负反馈调节器的解决方案,给出了直流电动机双闭环控制系统的设计过程,对转速电流调节器进行了改进,并用Matlab/simulink仿真进行了实验验证.
【总页数】3页(P62-64)
【作者】王莎;席自强;吴祖顺
【作者单位】湖北工业大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430068;湖北工业大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430068;北京航空航天大学,自动化科学与电气工程学院,北京,100191
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
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