前言运动控制系统是自动化专业的必修课。电力拖动自动控制系统课程的内容包括闭环控制的直流调速系统、多环控制的直流调速系统、可逆调速系统、直流脉宽调速系统和位置随动系统。要掌握经典直流调速系统的基本概念、基本原理和基本规律；了解电力拖动自动控制系统的基本形式及其控制规律；了解经典直流调速系统的基本体系；能应用已有的数学知识对电力拖动自动控制系统进行定量计算和定性分析，培养分析问题和解决问题的能力；本次设计以双闭环无静差直流调速系统为主。在直流调速系统中，转速、电流双闭环直流调速系统是应用最广的直流调速系统，传统的设计方法为工程设计方法，它对被控对象的模型做了理想化和近似处理，故工程设计方法是一种近似的设计，而对一些高性能系统要求起制动超调小、动态速降小、恢复时间短，则需采用更为先进的控制策略。为了获得良好的静、动态性能，电压、转速和电流调节器一般都采用PI调节器，文中设计了两个调节器输入输出电压均标出实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。还有调节器的输出都是带限幅作用的，限制电压决定了它们的输出最大值。 目录第一章 设计要求及控制对象11.1 生产工艺流程11.2控制要求11.3 设计要求及电机参数21.4控制对象四辊压延机2第二章 设计方案选择32.1开环直流调速系统32.2转速负反馈直流调速系统32.3 带电流截止负反馈的直流调速系统52.4双闭环直流调速系统6第三章 直流调速系统主电路设计83.1励磁电流的设计83.2电机主电路的设计83.3电力电子变换电路的设计93.4其他电路的设计10第四章 系统结构及子模块114.1速度调节单元114.2电流调节器124.3 电流反馈与过流保护134.4 速度反馈与系数整定144.5 逻辑控制单元154.6零速封锁单元174.7 给定积分单元18第五章：双闭环调速系统的常规工程设计195.1设计准备195.2电流调节器的设计205.3转速调节器的设计22第六章 主电路元件选择与参数计算266.1变压器266.2晶闸管266.3晶闸管保护措施26第七章 双闭环直流调速系统的建模与仿真27第八章 总结30第一章 设计要求及控制对象1.1 生产工艺流程帘布放布机-接头硫化机-前三辊电机-贮步架-前四辊电机-干燥机-辊辊压延主机-（主机1和主机2）-后四辊电机-2台卷取机-仓库1.2控制要求（1）在压延前，必须给干燥辊加热6080（使帘布烘干水分），给主辊加热至70左右（不至于橡胶冷却硬化）。（2）所有的直流电机可单动也可联动，并均要求电枢可逆。（3）联动时，前四主机和后四主机不允许单动，而前三机可单独停（便于帘布的硫化接头，因有贮布架，也不影响后面的正常工作），卷取机也可单独停（便于2台卷取机换卷）。（4）两台延压主机必须同时起、停或加减速，且控制要求和技术指标完全相同。（5）前张力区的张力（最大为1000kg)通过前四电机来控制，后张力区的张力（1500kg）由后四电机来控制。（6）在给定压延张力情况下，其压延速度由操作人员通过改变主机速度来达到。压延速度前张力通过控制器使前四电机升速使前张力维持不变；同理后张力使后四电机升速后张力维持不变。从而在联动时使主机前后电机的速度达到协调。（7）前四辊（开卷机）电动机工作情况：当给定张力小于ZL1所检测的实际张力时，电动机做电动运行，当给定张力大于实际张力时，电动机做发电运行，当实际张力小于150kg时，系统为电流、速度环结构，当给定张力不小于150kg时，系统自动转入电流、张力环结构；断带时，实际张力为0，则自动转到电流、速度环双闭环结构。1.3 设计要求及电机参数设计要求：稳态无静差：i5%，空载起动至额定转速的超调量n%10%，张力超调量10%。电机参数：Pnom=17kw，Unom=220v，Inom=92A，nnom=1500r /min,Ra=0.15,GD2=10.5N.M2,R=0.28,允许电流过载倍数=1.21.4控制对象四辊压延机压延机(calender)是由两个或两个以上的辊筒，按一定形式排列，在一定温度下，将橡胶或塑料压制展延成一定厚度和表面形状的胶片，并可对纤维帘帆布或钢丝帘布进行挂胶的机械。压延机按照辊筒数目可分为两辊、三辊、四辊和五辊压延机等；按照辊筒的排列方式又可分为“L”型、“T”型、“F”型、“Z”型和“S”型等。普通压延机主要由辊筒、机架、辊距调节装置、辊温调节装置、传动装置、润滑系统和控制系统等组成。精密压延机除了具有普通压延机主要零部件和装置外，增加了保证压延精度的装置。压延机第二章 设计方案选择2.1开环直流调速系统图2-1-1 开环控制直流调速系统（V-M系统）图2-1-1中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。这里对晶闸管可控整流器的移相控制是关键。锯齿波同步移相触发电路将在第三章介绍。其整流原理为三相桥式全控整流，属于电力电子技术的范畴，应用较为广泛，由于原理也较为简单，就不赘述了。但是由于调速系统开环，调节控制电压就可以改变电动机的转速，由于各种干扰和元器件的参数变化，使得系统的静差率太大，而且不能保证稳态无静差，所以不符合本课程设计的要求，故不选用此方案。2.2转速负反馈直流调速系统为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。图2-2-1转速负反馈直流调速系统原理图图2-2-2转速负反馈直流调速系统结构框图图由上述系统结构框图可以得到转速负反馈闭环直流调速系统的静差率特性方程：n=KpKsUn*/(Ce(1+K)-RId/(Ce(1+K); K=Kp*Ks*a/Ce；式中：Kp放大器的电压放大系数;Ks电力电子变换器的电压放大系数;转速反馈系数Un*给定电压如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性方程为： n=KpKsUn*/Ce-RId/Ce；则：开环系统和闭环系统的转速降落分别设为nop，ncl nop=RId/Ce; ncl=RId/(Ce(1+K)由此可以得出闭环系统和开环系统的静差率之比为：scl=sop/(1+K); 即闭环系统的静差率要比开环小的多，当K趋于无穷大时，闭环系统的静差率接近于0，但不为0。调速范围：Dcl=Nn*s/( Ncl*(1-s)；Nn为电动机的额定转速即最大转速；可见经过适当调节Kp、Ks，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。 上述控制速度的控制器单一采用P控制,P=R1/R0，可以提高系统的响应速率，减小系统的静差率，与开环系统相比，要比开环系统的静差率小的多。但是由于采用了P控制器，不能满足无静差的要求，所以应该选用PI控制器以消除静差。但是转速反馈控制的直流调速系统还存在一个问题，在起、制动过程和堵转状态时，必须限制电枢电流。2.3 带电流截止负反馈的直流调速系统直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压Un= Un*，差不多是其稳态工作值的1+K倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。 另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。 为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，引入电流截止负反馈，保持电流基本不变，使它不超过允许值。图2-3-1 环直流调速系统稳态结构框图这种电流负反馈作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随着负载增减。它的静特性分为两段，当时，电流截止负反馈环节不起作用，静特性与只有转速负反馈系统的相同。当后，引入了电流截止负反馈，静特性变为：2.4双闭环直流调速系统采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如龙门刨床、可逆轧钢机等要求快速起制动，突加负载动态速降小的场合，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。这时单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为单闭环系统不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。于是产生了通过转速、电流双闭环来控制电流和转矩的双闭环控制直流调速系统。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。图2-4-1 双闭环调速系统的稳态结构图在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。转速调节器不饱和：CA段静特性从理想空载状态的=0一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。转速调节器ASR饱和：这时ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调节系统。图2-4-2 双闭环调速系统静特性双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制：根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2） 转速超调：由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 Un 为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3） 准时间最优控制：起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是负载扰动和抗电网电压扰动的性能。对于负载扰动，由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。对于电网电压扰动，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。