工业大学本科毕业设计（论文）
第3章 按工程设计方法设计双闭环调速系统的
电流调节器和转速调节器
3.1 设计要求
本论文首先应用经典控制理论的工程设计方法,设计出转速和电流双闭环直流调速系统,然后利用现代控制理论中的线性二次型性能指标最优设计方法, 设计此调速系统。
3.1.1 基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）
（1）被控直流电动机
Pnom=2.8 kw Unom=220 v Inom=15.6 A
Nnom=1500 rpm RD=1.41Ω Ce=0.129 V/rpm ?=1.5 Cm=0.125 kg.m/A （2）整流装置 三相全控桥式整流电路 Rn=RB+Rγ+RN=1.60Ω
Ks=ΔUd/ΔUk=40 Ts=1.7 ms （3）电枢回路总电阻
R＝Rn+Rs=RB+Rγ+RN+Rp+RD=3.11Ω （4）电枢回路总电感
L=LB+Lp+LD=74.58 mH （5）电动机轴一总飞轮矩 GD2=0.5932 kg.m2 （6）系统时间常数 Tl＝0.02398 s Tm=0.30460 s
（7）反馈滤波时间常数 Toi=0.005 s Ton=0.01 s （8）调节器最大给定电压 U*nm=U*im=8 v （9）调节器输入回路电阻 R0=40 kΩ
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3.1.2 设计指标
（1）负载：恒转矩负载 Idl=0.8Inom
（2）起动方式：空载起动到额定转速，Ido=0.05Inom （3）性能指标：
1）调速范围：D＝10 2）静差率：S≤4%
3）电流超调量σi%≤5% 4）转速超调量σn%≤10% 5) 突加负载的动态速降≤3% 6）恢复时间t?≤1.5秒
3.2 工程设计方法的基本思路
用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静态、动态性能要求[8]。作为工程设计方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步：
第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。
第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标
这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾—动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中进一步满足其它动态性能指标。
在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算以下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量[6]。 在2.6.1和2.6.2中已给出了电流和转速调节器的传递函数，此处详细讨论其理论依据及工程实现问题。
3.3 电流调节器的设计
3.3.1 电流环动态结构图的简化
设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用。它代表转
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速环输出量对电流环的影响。实际系统中的电磁时间常数TL一般远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似的认为E不变，即△E=0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构图。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。最后，Ts和Toi一般比
Tl小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取T∑i=Ts+Toi[6]。
Ui*(s)1Tois?1??ACRUct(s)KsTsS?1Ud0(s)1/RTls?1Id(s)?Tois?1a)Ui*(s)?
Uct(s)?Ks/R(Tls?1)(T?is?1)??Tois?1ACRId(s)b)Ui*(s)?Ks/R(Tls?1)(T?is?1)
???ACRId(s)c)
图3-1 电流环的动态结构图及其化简
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3.3.2 确定电流环的时间常数
以下数据Ts和Toi,设计任务书已给定。
3.3.2.1三相桥式电路的平均失控时间 Ts=1.7ms 3.3.2.2 电流滤波时间常数Toi Toi =5ms 3.3.2.3 电流环小时间常数
T∑I = Ts+Toi=6.7ms (3-1)
3.3.3 电流调节器结构的选择
首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统,电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,因而在突加控制作用时不希望有超调,或者超调量越小越好。从这个观点出发,应该把电流环校正成典Ⅰ系统。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用,为了提高其抗扰性能,又希望把电流环校正成典Ⅱ系统。一般情况下,当控制对象的两个时间常数之比TL/T∑I ≥10时,典Ⅰ系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。因此,一般多按典Ⅰ系统来设计电流环[6]。
本设计因为 δi% ≥5%且TL/T∑I =23.98/6.7<10。所以 按典Ⅰ系统设计,选PI调节器，其传递函数为
WASR(s)?K?sis?1i? (3-2)
式中 Ki—电流调节器的比例系数
?i—电流调节器的超前时间常数。
为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择?i=TL, 则电流环的动态结构图可以化简为图3-2：
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Ui*(s)?KId(s)?I?s(T?is?1)
图3-2 电流环简化成典Ⅰ系统
3.3.4 电流调节器参数的计算
3.3.4.1 计算时间常数和比例系数 电流调节器积分时间常数: τI =Tl =23.98ms 电流开环增益: 要求σi%≤5%, 应取
KIT∑i=0.5
因此 KI = 0.5/T∑i=0.5/0.0067=74.6（1/s） 电流反馈系数β
*??UiI?Uim?Uim?8 dIdm?Inom1.5?15.6?0.342(V/A)于是，ACR的比例系数 :
K?iRi?KI??74.6?0.02398?3.11Ks0.342?40?0.407 3.3.4.2 计算调节器电阻和电容 按所用运放取 R0 =40k(Ω),则
Ri = KiR0 = 16.4k(Ω) (3-5)
Ci =τi /Ri= 0.02398/16.4k= 1.5μF (3-6) Coi =4Toi /R0 =4*0.005/(40*103)=0.5μF 在工程实际中Ri取16kΩ.
3.3.5 校验近似条件
电流环的截止频率ωci =KI =74.6
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(3-3)
(3-4)
(3-7)