自控课程设计 - 图文(4)

图22整个直流电动机的动态结构图

②.晶闸管触发和整流装置

要控制晶闸管整流装置总离不开触发电路， 因此在分析系统时总把它当作一个环节来看

待。这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uct，输出量是理想空载整流电压 Udo 。如果把它们之间的放大系数看成常数， 则晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放

大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控 制电压的变化对它不再起作用，直到该元件承受反压关断后为止，因此造成整流电压滞后于 控制电压的状况。

用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为

Udo=KsUct·1(t-Ts) （3）

按拉氏变换的位移定理，则传递函数为

Ts

Udo(s)/Uct(s)=Kse?Tss (4)

为了简化先将es按泰勒级数展开，考虑到Ts很小，忽略其高此项，则可以将晶闸管触发与整流装置的传递函数可以近似一阶惯性环节

Udo(s)/Uct(s)=Ks/(Tss+1) (5)

其动态结构图如下图所示

图23准确的晶闸管触发和整流装置动态结构图

近似的动态结构图如下图所示

图24近似的晶闸管触发和整流装置动态结构图 ③.比例放大器和测速发电机

比例放大器和测速发电机都可以认为是瞬时的， 因此它们的放大系数也就是它们的传递 函数，即：

Uct(s)/ ΔUn(s)=Kp （6）

Un(s)/n(s)= α

知道了各环节的传递函数，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出系统的 动态结构图，如图 7 所示。

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图25反馈控制闭环调速系统的动态结构图

由图可见，将晶闸管整流装置按一阶惯性环节处理之后，带比例放大器的闭环调速环节 可以看作是一个三阶线性系统。

2）、双闭环调速系统数学模型（转速、电流反馈）

双闭环调速系统的实际动态结构图如下图所示， 由于反馈信号检测中常含有谐波和其他 扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需加低通滤波，这样的滤波环节传递函数可用 一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要给定。然而，在抑制扰动量的同时，滤波环节 也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常 数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延滞，使

二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便，电流环、速度环滤波时间常数分别为Ton、 Toi 。

图26双闭环调速系统数学模型

（2）按工程方法设计和选择转速和电流调节器参数，ASR 和 ACR 都采用 PI 调节器，并计算电机参数。

1) 电流调节器参数计算如下：

三相晶闸管整流电路平均失控时间为 Ts=0.0017s（三相桥式整流电路失控时间）

电流环的小时间常数为T=Ts+Toi=0.0037s根据电流超调量σ%≤5%的要求，电流环按典型Ⅰ型系统设计，电流调节器选用 PI 调节器，其传递函数为

Wacr(s)=KPi+1/Kli=Ki(1+tis)/tis （7）

其中ti=Ti=0.125s

Ki=tiR/(2TβKe)=3.132

Kli=ti/Ki=0.0399

2）转速调节器参数计算如下：

转速环按典型Ⅱ型系统设计，并选中频段宽度 h=5，转速调节器的传递函数为

Wasr(s)=Kpn+1/(KlnS)=Kn(1+tnS)/tnS （8）

其中tn=hT=0.087s

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Kn=[(h+1)βCeTm]/2hαRT=29.32 Kln=tn/Kn=0.002213

3)电机参数计算：

励磁电流为 If=Uf/Rf=220/146.7=1.5A

励磁电感在恒定磁场控制时可取 0。 电枢电阻R a=1.6Ω，电枢电感估算为 La=19.1CUN/(2pnnIN)=0.0169 H（经验公式）

式中， p为极对数；C 为计算系数，对于无补偿电机 C =0.1 ，补偿电机 C = 0.4。 因为 Ce=0.132V·min/r KE=60Ce/2π=1.2605V·s/rad 所以 Laf=KE/If=0.840H

222由Tm=GDR/(375CeCm)得GD，又有J=GD/(4g)得

2 J=0.174KG·m

负载转矩

Tl=KEIN=21.43

（3）设定模型仿真参数，仿真时间 10s，并在 6s时突加 1/2 额定负载，观察控制系统电流、转速响应。

图27 电流响应 图28电压响应

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（4）修改调节器参数，观察在不同参数条件下，双闭环系统电流和转速的响应，修改转速给定，观察电动机在同步转速时的工作情况。

将晶闸管装置放大系数Ks改为100，ACR参数改变Kl= 0.6891,Kli=0.1814；ASR参数不变 则仿真图如下：

图29 电流响应

由图可知在增大了晶闸管装置放大系数的时候，转速、电流进入到稳定状态所需的时间减小了。 但是太大可能会影响系统稳定。

将U=5，则可得n=U/α=730r/min 则仿真图如下：

图31电流响应 图32电压响应

图30电压响应

（5）使用 Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型

1)绘制仿真线路

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图33 Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真图

2）仿真结果

图34电流响应 图35电压响应

Power System模型与传递函数模型运行结果比较，在电流响应方面传递函数在电机启动完成后有一个负脉冲，而Power System并没有原因是晶闸管不允许有负向电流，在刚开始启动的时候Power System有一段倾斜的原因是在电机前加的平波电抗器阻碍电流快速增加或减小，而且在加入负载后Power System中的波动比传递函数的大很多；在电压响应方面在没加负载稳定运行的情况下Power System的电压要略高于传递函数电压原因是Power System中电机前加的平波电抗器在电流变化的时候感应得到一部分电压加在电机上。

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六、设计心得

通过本次课程设计我对自动控制知识有了更深入的了解，将其运用到了实际中来，明白了学习自动控制的意义，也达到了其培养的目的。在实验中，我也遇到了很多挫折，不过我都和同伴一一克服了，大家齐心协力解决了问题，使我明白了和他人共同合作的重要性。在以后的道路上我们也必须深刻认识到团队合作的精神，投入今后的发展之中。

成功就是在不断摸索中前进实现的，遇到问题我们不能灰心、烦躁，甚至放弃，而要静下心来仔细思考，分部检查，找出最终的原因进行改正，这样才会有进步，才会一步步向自己的目标靠近，才会取得自己所要追求的成功。

主要参考文献

[1] 牛维扬,李祖明．电机学．北京：中国电力出版社，2005年

[2] 黄俊,王兆安．电力电子变流技术．北京：机械工业出版社，1999年12月 [3] 王划一．自动控制原理．北京：国防工业出版社，2001年11月 [4] 陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社，2000年6月

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