1、自动控制系统课程设计自动控制系统课程设计报告报告课程设计任务书课程设计任务书 性质和目的： 自动控制系统课程是自动化专业的主要特色课程之一，通过课程设计使学生巩固所学的控制系统基本原理，培养学生综合运用所学知识和技能去分析和解决工程技术问题的能力，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。提高学生的综合计算及撰写科研报告的初步训练能力；理论联系实际和分析、解决问题的能力。课程设计的主要任务 (一) 系统各环节的选型： 1、主回路方案确定； 2、控制回路选择； (二) 主要电气设备的计算和选择：1、整流变压器计算；2、晶闸管整流元件；3、系统各主要环节的设计；4、平波电抗器选择计算； (
2、三) 系统参数计算：1、电流调节器ACR中 、 计算；2、转速调节器ASR中 、 计算； (四) 对设计好的系统进行仿真验证； 设计参数 直流他励电动机：功率Pe1.45KW，额定电压Ie=6.5A，磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7,主电路总电阻R7.4，Ks=27，电磁时间常数TL=0.033ms，机电时间常数Tm=0.26ms，滤波时间常数Toi=0.0031s，Ton=0.01s，过载倍数1.5，电流给定最大值Uim=8V，速度给定最大值Un=10V， =0.77V/A，=0.007Vmin/r直流拖动系统系统总体设计 主要任务 1、系
3、统总体方案的选择；2、系统方案的实体设计；3、系统各主要保护环节的设计；4、系统的动态工程设计；主电路的设计和选择 正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流 考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽一定范围的安全系数。 则有： dfdTNTmTNIKIUU)25 . 1 () 32(式中， 、 分别是实际电路中的最大电压电流，其中有 、TmUdIedII26UUTm系统设计思路 整流电路： 本设计的电动机是直流电动机，所以三相电源必须经过整流，经过三相全控桥整流电流，具有输出波形好、脉动小、并且可以组成可逆变的系统等
4、优点，所以我们采用三相全控桥进行整流。如图2-1所示：图2-1 三相全控桥控制系统 双闭环调速系统性能可靠，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。能够实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程。双闭环调速系统原理图如下图所示：图2-2 双闭环调速系统原理图系统设计框图图2-3 系统设计框图变流器主电路和保护环节设计 整流变压器 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕
5、组采用Y联接。 交流测过电压保护 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为-Y联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路。 如下图所示。图3-1 采用压敏电阻的保护回路 直流测过电压保护 同样采用压敏电阻进行过压保护，原理如下图所示图3-2 直流侧过压保护原理图 原件换相保护 晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的
6、电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如下图阻容吸收回路来抑制过电压 其中 电阻功率选择图3-3 元件换相保护原理图310)42(TIC)(1075. 162WfCUPTmR 过电流保护 将快速熔断器安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。 选择时应注意以下问题： 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。 溶体的额定电流 计算公式 n 三相交流电路的一次侧过电流保护 在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图如下图图3-4 交流电路的一次侧过流保护原理图 晶闸管的过电流保护如下图所示图3-5 晶
7、闸管的过电流保护 电压和电流上升率的限制图3-6 晶闸管串接桥臂电抗器调速系统控制单元的确定和调整及工程设计 检测环节 电流检测环节 电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。 电流检测环节原理图如下图所示图4-1 互感器电流检测电路 电压检测环节 电压检测环节是通过测速发电机将转速转化为电压值，通过检测电压值就可以检测转速。原理图如下图所示：图4-2 电压检测电路调速系统动态参数的工程设计 双闭环调速系统动态结构图图4-2 双
8、闭环系统动态结构图 调节器的选择与调整 作为系统校正环节的调节器，是控制电路的关键部件，在系统中使用各种类型的调节器可实现输入输出的P、I、PI、PD、PID等多种运算关系。调节器的选择与参数整定是系统设计中极其重要的一环，它对系统静、动态性能指标的优劣起着决定作用电流环调节器的简化a)忽略反电动势的影响b)等效成单位负反馈c)小惯性环节近似处理 Ti = Ts + Toi 电流环设计 典型系统的选择：采用 I 型系统 电流调节器选择：PI型的电流调节器，传递函数为ssKsWiiiACR) 1()( Ki 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。（2）电流调节器结构的选择电流调节
9、器的实现 模拟式电流调节器电路0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT 图4-3 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 U*i 电流给定电压；电流给定电压； Id 电流负反馈电压；电流负反馈电压； Uc 电力电子变换器的控制电压。电力电子变换器的控制电压。电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，其闭环传递函数 111) 1(1) 1(/ )()()(2*sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli111)(sKsWIcli)31(iIcnTK忽略高次项， 电流环在转速环中应等效为: 转速环节设计原来是双惯性环原来是双惯性环节的电流环控制节的电流
10、环控制对象对象电流环的改造效果： 111)()()(*sKsWsUsIIcliid电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。 等效成只有较小时间常数等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节的一阶惯性环节转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择a a）用等效环节代替电流环）用等效环节代替电流环 b) b) 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 转速调节器的比例系数；转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。转速调节
11、器的超前时间常数。 c) ASRc) ASR调节器选择调节器选择( (应采用应采用PIPI调节器调节器) )ssKsWnnnASR) 1()(nKnd) d) 校正后成为典校正后成为典IIII系统系统 ) 1() 1() 1() 1() 1() 1()(22sTssKsTsTCsRKsTsTCRssKsWnnNnmennnnmennnn0RRKnnnnnCRononCRT041转速调节器参数与电阻、电容值的关系为 U*n 转速给定电压；转速给定电压； n 转速负反馈电压；转速负反馈电压； Ui* 电流调节器的给定电压电流调节器的给定电压 。图4-4 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 调节器限幅 调速系统中为了保护电气设备和机械设备的安全，需限制电动机的最大电流，最大电压及晶闸管变流装置的 和 角等，一般都要求对输入输出限幅。minmin（1）调节器的输入限幅电路图4-5 输入限幅电路（2）调节器的输出限幅电路图4-6 输出限幅电路五、系统仿真 使用MTLAB对控制系统进行计算机仿真。常用的方法有两种，一种是以控制系统的传递函数为基础，使用MTLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究，另外一种就是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统进行仿真 双闭环仿真模型图 软件仿真图仿真结果
