1、自動控制系統課程設計報告第1頁，共37頁。課程設計任務書性質和目的： 自動控制系統課程是自動化專業的主要特色課程之一，通過課程設計使學生鞏固所學的控制系統基本原理，培養學生綜合運用所學知識和技能去分析和解決工程技術問題的能力，建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序和方法。提高學生的綜合計算及撰寫科研報告的初步訓練能力；理論聯系實際和分析、解決問題的能力。第2頁，共37頁。課程設計的主要任務(一) 系統各環節的選型： 1、主回路方案確定； 2、控制回路選擇；(二) 主要電氣設備的計算和選擇：1、整流變壓器計算；2、晶閘管整流元件；3、系統各主要環節的設計；4、平波電抗器選擇計算；(三) 系統

2、參數計算：1、電流調節器ACR中 、 計算；2、轉速調節器ASR中 、 計算；(四) 對設計好的系統進行仿真驗證；第3頁，共37頁。設計參數直流他勵電動機：功率Pe1.45KW，額定電壓Ie=6.5A，磁極對數P=1，ne=1500r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=3.7,主電路總電阻R7.4，Ks=27，電磁時間常數TL=0.033ms，機電時間常數Tm=0.26ms，濾波時間常數Toi=0.0031s，Ton=0.01s，過載倍數1.5，電流給定最大值Uim=8V，速度給定最大值Un=10V，=0.77V/A，=0.007Vmin/r第4頁，共37頁。直流拖動系統系統總體設計

3、主要任務 1、系統總體方案的選擇；2、系統方案的實體設計；3、系統各主要保護環節的設計；4、系統的動態工程設計；第5頁，共37頁。主電路的設計和選擇 正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流 考慮到電網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬一定范圍的安全系數。 則有： 式中， 、 分別是實際電路中的最大電壓電流，其中有 、第6頁，共37頁。系統設計思路整流電路：本設計的電動機是直流電動機，所以三相電源必須經過整流，經過三相全控橋整流電流，具有輸出波形好、脈動小、并且可以組成可逆變的系統等優點，所以我們采用三相全控橋進行整流。

4、如圖2-1所示：圖2-1 三相全控橋第7頁，共37頁。控制系統 雙閉環調速系統性能可靠，既保證了穩態后速度的穩定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態過程。能夠實現轉速無靜差調節，又能控制電流使系統在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程。雙閉環調速系統原理圖如下圖所示：圖2-2 雙閉環調速系統原理圖第8頁，共37頁。系統設計框圖圖2-3 系統設計框圖第9頁，共37頁。變流器主電路和保護環節設計整流變壓器 在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項用的變壓器的一次側繞組采用

5、聯接，二次側繞組采用Y聯接。 第10頁，共37頁。交流測過電壓保護 本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為-Y聯結，在變壓器交流側，采用壓敏電阻的保護回路。 如下圖所示。圖3-1 采用壓敏電阻的保護回路第11頁，共37頁。直流測過電壓保護同樣采用壓敏電阻進行過壓保護，原理如下圖所示圖3-2 直流側過壓保護原理圖第12頁，共37頁。原件換相保護 晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態重復峰值值電壓一定值時，就會誤導通，引發電路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產生的原因主要是供給的電壓功率或

6、系統的儲能發生了激烈的變化，使得系統來不及轉換，或者系統中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。第13頁，共37頁。本設計采用如下圖阻容吸收回路來抑制過電壓其中電阻功率選擇圖3-3 元件換相保護原理圖第14頁，共37頁。過電流保護將快速熔斷器安裝在交流側或直流側，在直流側與元件直接串聯。 選擇時應注意以下問題： 快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流 計算公式 三相交流電路的一次側過電流保護 在本設計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側過電流保護，保護原理圖如下圖第15頁，共37頁。圖3-4 交流電路的一次

7、側過流保護原理圖第16頁，共37頁。晶閘管的過電流保護如下圖所示圖3-5 晶閘管的過電流保護第17頁，共37頁。電壓和電流上升率的限制圖3-6 晶閘管串接橋臂電抗器第18頁，共37頁。調速系統控制單元的確定和調整及工程設計檢測環節電流檢測環節 電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號，經過濾波整流后，用于控制系統中。該電路主要由電流互感器構成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號，起到電氣隔離的作用。第19頁，共37頁。電流檢測環節原理圖如下圖所示圖4-1 互感器電流檢測電路第20頁，共37頁。電壓檢測環節 電壓檢測環節是通過測速發電機將轉速轉

8、化為電壓值，通過檢測電壓值就可以檢測轉速。原理圖如下圖所示：圖4-2 電壓檢測電路第21頁，共37頁。調速系統動態參數的工程設計雙閉環調速系統動態結構圖圖4-2 雙閉環系統動態結構圖第22頁，共37頁。調節器的選擇與調整作為系統校正環節的調節器，是控制電路的關鍵部件，在系統中使用各種類型的調節器可實現輸入輸出的P、I、PI、PD、PID等多種運算關系。調節器的選擇與參數整定是系統設計中極其重要的一環，它對系統靜、動態性能指標的優劣起著決定作用第23頁，共37頁。電流環調節器的簡化a)忽略反電動勢的影響b)等效成單位負反饋c)小慣性環節近似處理 Ti = Ts + Toi 電流環設計第24頁，共

9、37頁。典型系統的選擇：采用 I 型系統電流調節器選擇：PI型的電流調節器，傳遞函數為 Ki 電流調節器的比例系數； i 電流調節器的超前時間常數。（2）電流調節器結構的選擇第25頁，共37頁。電流調節器的實現模擬式電流調節器電路圖4-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器 U*i 電流給定電壓； Id 電流負反饋電壓； Uc 電力電子變換器的控制電壓。第26頁，共37頁。電流環的等效閉環傳遞函數 電流環經簡化后可視作轉速環中的一個環節，其閉環傳遞函數 忽略高次項， 電流環在轉速環中應等效為: 轉速環節設計第27頁，共37頁。原來是雙慣性環節的電流環控制對象電流環的改造效果： 電流的閉環控

10、制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環（內環）控制的一個重要功能。 等效成只有較小時間常數的一階慣性環節第28頁，共37頁。轉速調節器結構的選擇a）用等效環節代替電流環 b) 等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理 第29頁，共37頁。轉速調節器的比例系數；轉速調節器的超前時間常數。 c) ASR調節器選擇(應采用PI調節器)d) 校正后成為典II系統 第30頁，共37頁。轉速調節器參數與電阻、電容值的關系為 U*n 轉速給定電壓； n 轉速負反饋電壓； Ui* 電流調節器的給定電壓 。圖4-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器 第31頁，共37頁。調節器限幅 調速系統中為了保護電氣設備和機械設備的安全，需限制電動機的最大電流，最大電壓及晶閘管變流裝置的 和 角等，一般都要求對輸入輸出限幅。（1）調節器的輸入限幅電路圖4-5 輸入限幅電路第32頁，共37頁。（2）調節器的輸出限幅電路圖4-6 輸出限幅電路第33頁，共37頁。五、系統仿真 使用MTLAB對控制系統進行計算機仿