单闭环直流调速系统优秀课程设计.docx

综合课程设计说明书 题目：单闭环直流调速系统设计和Matlab仿 真（一） 学院：机电和汽车工程学院 专业班级：电气工程和自动化专业（1）班 姓名： 学号： 07240113 指导老师： 目录第一章 概述2第二章 调速控制系统性能指标3 2.1 直流电动机工作原理4 2.2 电动机调速指标4 2.3 直流电动机调速5 2.4 直流电机机械特征5第三章 单闭环直流电动机系统6 3.1 V-M系统介绍6 3.2 闭环调速系统组成及静特征7 3.3反馈控制规律8 3.4 关键部件9 3.5 稳定条件11 3.6 稳态抗扰误差分析12第四章 单闭环直流调速系统设计及仿真14 4.1 参数设计14 4.2 参数计算及MATLAB仿真15第五章 总结24参考文件 第一章 概述 电动机是用来拖动某种生产机械动力设备，所以需要依据工艺要求调整其转速，而用于完成这项功效自动控制系统就被陈为调速系统。现在调速系统分为交流调速和直流调速系统，因为直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好和含有良好动态性能，所以在相当长时间内，高性能调速系统几乎全部采取直流调速系统，但多年来，伴随电子工业和技术发展，高性能交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中应用越来越广泛，其良好调速性能及低廉价格越来越被大众接收。单闭环直流电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电动机-发动机、闭环控制系统等组成，我们能够经过改变晶闸管控制角来调整转速，本文就单闭环直流调速系统设计及仿真做以下介绍。 第二章 调速控制系统性能指标2.1 直流电动机工作原理一、 直流电机组成 (1)定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置； (2)转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴； (3)气隙二、 直流电机励磁方法 按励磁方法不一样，直流电机可分为她励、并励、串励和复励电动机四种。直流电动机中，在电磁转矩作用下，电机拖动生产机械沿着和电磁转矩相同生产方向旋转时，电机向负载输出机械功率。2.2 电动机调速指标 稳态指标：关键是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调整，而且在不一样转速下工作时能稳定运行，而且在某一转速下稳定运行时，尽可能少受负载改变及电源电压波动影响。所以它指标就是调速系统调速范围和静差率。动态性能指标:关键是平稳性和抗干扰能力。（1） 调速范围：生产机械在额定负载时要求电动机提供最高转速Nmax和最低转速Nmin之比称为调速范围，用D表示。即 D=（2） 静差率：调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到要求负载时，所对应转速降落和理想转速n0 之比，用s表示，即 s=100%=100%（3） 调速方向:指调速后转速比原来高还是低，有上调和下调之分。（4） 调速平滑性：它由一定调速范围内能得到转速级数来说明。调速可分为有级调速和无级调速。2.3 直流电动机调速本文以她励直流电动机为例来说明直流电机调速，她励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立直流电源供电，在励磁电压作用下，励磁绕组中经过励磁电流，从而产生磁通。在电枢电压作用下，电枢绕组中经过电枢电流。 她励直流电动机转速公式： n= 式中U为她励电动机电枢电压；I为电枢电流；E为电枢电动势；R为电枢回路总电阻；n为电机转速；为励磁磁通；为由电机结构决定电动势系数。她励电机调速方法有三种：电枢回路串电阻变电阻调速、改变电枢电压变电压调速、减小气隙磁通量弱磁调速。在实际应用中，我们通常采取变电压调速。2.4 直流电机机械特征 她励直流电动机中转速和转矩之间关系为n=式中为电动机理想空载转速，其值为 是机械特征斜率，是转速差。她励直流电机固有特征曲线图所表示： 第三章 单闭环直流电动机系统3.1 系统介绍晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统），其简单原理图以下： 图中是晶闸管可控整流器，它能够是单相、三相或更多相，半波、全波、半控、全控等类型。优点:经过调整触发装置控制电压来移动触发脉冲相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点：、因为晶闸管单相导电性，它不许可电流反向，给系统可逆运行造成困难。2、 元件对过电压、过电流和过高和全部十分敏感，其中任意指标超出许可值全部可能使元件在短时间内损坏，所以必需有保护装置和散热条件。3.2 闭环调速系统组成及静特征 转速反馈控制闭环调速系统，其原理图以下： a、忽略多种非线性原因，假定各步骤输入输出全部是 线性。 b、假定只工作在系统开环机械特征连续段。 c、忽略直流电机和电位器内阻。 电压比较步骤： 放大器：（-放大器电压放大系数） 晶闸管整流和触发装置：（-晶闸管整流和触发装 置电压放大系数） V-M系统开环机械特征： 测速发电机：（-测速反馈系数，单位为）所以转速负反馈闭环调速系统静特征方程式为 式中为闭环系统开环放大系数，这里是以作为电动机步骤放大系数。静特征：闭环调速系统电动机转速和负载电流（或转矩）稳态关系。依据各步骤稳态关系画出闭环系统稳态结构图图所表示: 3.3 反馈控制规律 从上面分析能够看出，闭环系统开环放大系数k对系统稳定性影响很大，k值越大，静特征就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下调速范围越广，即k越大，稳态性能就越好，然而，设计放大器为百分比放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统稳态速降为，只有时其值为0，而这是不可能。3.4 关键部件 1、百分比放大器：运算放大器用做百分比放大器，图为调整器原理图及输出特征： 和为放大器输入和输出电压，为同相输入端平衡电阻，用以降低放大器失调电流影响，放大系数为:2、百分比积分放大器 在定性分析控制系统性能时，通常将伯德图分成高，中，底三个频段，频段界限是大致，通常调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常见PI调整器，采取运算放大器PI调整器图所表示. -PI调整器百分比放大部分放大系数； -PI调整器积分时间常数； 此传输函数也能够写成以下形式： 式中-PI调整器超前时间常数。在零初始状态和阶跃输入下，PI调整器输出电压时间特征图所表示 将P调整器换成PI调整器，在原始系统上新添加部分传输函数为由图能够看出百分比积分物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以确保一定快速控制作用，不过小于稳定性能指标所要求百分比放大系数。因为快速性被压低了。换来稳定性确保。 作为控制器，比利积分调整器兼顾了快速影响和消除静差两方面要求：作为校正装置，它又能提升系统稳定性。2、 额定励磁下直流电动机 （主电路、假定电流连续） （额定励磁下感应电动势） （牛顿力学定律，忽略粘性摩擦） （额定励磁下电磁转矩） 式中 包含电机空载转矩在内负载转矩，单位为； 为电力拖动系统运动部分折算到电机轴上飞轮转 矩，单位为； 为电动机额定励磁下转矩电流比，单位为 定义下列时间常数： -电枢回路电磁时间常数，单位为s; -电力拖动机电时间常数，单位为s; 得电压和电流间传输函数：电流和电动势间传输函数：额定励磁下直流电动机动态结构图图所表示： 3.5 稳定条件 反馈控制闭环调速系统特征方程为 稳定条件为 整理后 上式右边称作系统临界放大系数，K值超出此值，系统就不稳定，依据上面分析可知，可能出现系统临界放大系数全部比系统稳态时放大系数要小，不能同时满足稳态性能指标，又确保稳定和稳态裕度，为此必需设置适宜校正装置，才能达成要求。3.6 稳态抗扰误差分析 1、百分比控制时稳态抗扰误差 采取百分比调整闭环控制有静差调速系统动态结构图为当初，之扰动输入量，这时输出量即为负载扰动引发转速偏差，其计算公式为： 这和静特征分析结果完全一致。 2、积分控制时稳态抗扰误差 采取积分调整闭环控制动态结构图为： 突加负载时，于是 负载扰动引发稳态速差为： =0可见积分控制调速系统是无静差。 3、百分比积分控制时稳态抗扰误差百分比积分控制闭环系统动态结构图为 则稳态速差为：4、 稳态抗扰误差和系统结构关系 就其性能来说，百分比控制是有静差，而积分控制和百分比积分控制全部没有静差，所以只要调整器中有积分成份，系统就是无静差。只要在控制系统前向通道上在扰动作用点以前有积分步骤，则外扰动不会引发稳态误差。 第四章 单闭环直流调速系统设计及仿真4.1 参数设计 一、设计任务 对某直流拖动系统进行参数计算、建立其Matlab模型，并进行稳定性分析，依据系统要求用Matlab软件工具对系统进行动态校正即作调整器设计。已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统（V-M系统）动态结构图所表示： 百分比调整器 可控硅整流器 电机电枢传输函数 传动装置传输函数 电势系数 给定信号+ + 综合信号2 转速n1 - 综合信号1 - 测速反馈系数 图中直流电机参数：=2.2KW，=1500r/min，=12.5A，=220V，电枢电阻=1，V-M系统主回路总电阻R=2.9，V-M系统电枢回路总电感L=40mH，拖动系统运动部分飞轮力矩=1.5，测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi型，整流触发装置放大系数=44，三相桥平均失控时间=0.00167s。二、设计要求 生产机械要求调速范围D=15，静差率s5%，若U*n=10V时，n=nnom=1500r/min，校正后相角稳定裕度=45o，剪切频率c35.0rad/s，超调量30%，调整时间ts0.1s。4.2 参数计算及MATLAB仿真一、稳态参数计算1、计算满足系统调速范围和静差率要求闭环系统开 环放大系数K。 （1）、额定磁通下电机电动势转速比 （2）、满足系统调速范围和静差率要求闭环系统稳态速降 （3）、开环系统稳态速降 （4）、依据自动控制理论有 = 即满足系统调速范围和静差率要求闭环系统开 环放大系数 K=48.80082、计算系统测速反馈系数 对单闭环调速系统有静差结构图图所表示: - - n n 依据自动控制理论有以下方程组。 式中: 代入已知条件，得 解次方程组得 3、 计算百分比调整器放大系数 依据自动控制理论，闭环系统开环放大系数、测速反馈系数、电机电动势转速比和放大系数之间满足关系式： 代入计算得 4、 计算参数和。 （1）、电枢回路电磁时间常数 代入计算 （2）、系统运动部分飞轮矩对应机电时间常数 代入数据计算得 5、 绘制带参数单闭环调速系统Simulink动态结构图。 下图即为模型mx1501.mdl,图中Kt=0.0065V.min/r.6、计算闭环系统临界开环放大系数。 依据自动控制理论代数稳定判据，系统稳定充要条件为，其临界开环放大系数 代入计算得闭环系统临界开环放大系数为 。 二、 稳定性分析1、 计算系统闭环特征根以验证系统能否稳定运行。a,b,c,d=linmod(smx1501);s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sys1=zpk(s1);P=sys.den1;roots(P)程序运行结果ans = 1.0e+002 * -6.7944 0.0409 + 2.2377i 0.0409 - 2.2377i 经过程序计算得系统两个特征根为 、 即闭环系统特征根有两个根实部为正，说明系统不能稳定运行。2、 绘制百分比调整器Kp=20和Kp=21系统单位给定阶跃响应曲线以验证系统能否稳定运行。（1） 百分比调整器Kp=20时，求闭环系统开环放大系数K。依据，有 syms Kp Ks Ce alpha; Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065; K=Kp*Ks*alpha/Ce程序运行结果K = 41.3594即Kp=20对应着闭环系统开环放大系数K=41.3594。（2）当Kp=20时，绘制其系统单位阶跃响应曲线。a,b,c,d=linmod(smx1501); s1=ss(a,b,c,d); sys=tf(s1);step(sys);可见系统单位阶跃响应曲线展现猛烈震荡，如上图所表示。（3）百分比调整器Kp=21时，系统开环放大系数K=43.4273 程序以下 syms Kp Ks Ce alpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/CeK =43.4273（4）当Kp=21时，绘制其单位阶跃响应曲线 程序以下a,b,c,d=linmod(smx1501);s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys);由曲线可看出，系统越发不稳定。3、 分别以相角稳定裕度和剪切频率为校正关键指标对系统进行滞后校正。模型mx1501.mdl开环模型为mx1501A.mdl以下图所表示（1）、调用自编函数lagc（）设计PI校正器。a,b,c,d=linmod(mx1501A);s1=ss(a,b,c,d); s2=tf(s1); gama=48;Gc=lagc(1,s2,gama)程序运行结果Transfer function:0.1611 s + 1-1.699 s + 1wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)程序运行结果Transfer function:0.2857 s + 1- 6.26 s + 1即以相角稳定裕度为校正关键指标滞后校正器为Gcs=0.1611s+11.699s+1,而以剪切频率为关键校正指标滞后校正器为Gcs=0.2857s+16.26s+1。（2）验算设计校正器校正结果。 对以相角稳定裕度为校正关键指标校正器为 Gcs=0.1611s+11.699s+1。程序以下a,b,c,d=linmod(mx1501A);s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1); gama=48;Gc=lagc(1,s2,gama); sys=s2*Gc;margin(sys)绘制出系统Bode图如上图所表示，从图能够看出，校正后系统相角稳定裕度=480，达成预期目标。对以剪切频率为校正关键指标校正器为Gcs=0.2857s+16.26s+1。 程序以下：a,b,c,d=linmod(mx1501A);s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1); wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)Transfer function:0.2857 s + 1- 6.26 s + 1 sys=s2*Gc; margin(sys)绘制出系统Bode图如上图所表示，从图能够看出，校正后系统剪切频率35rad/s,达成预期目标。第五章 总结本设计为单闭环直流调速系统，首先介绍了直流电机调速和发展；其次介绍了直流电动机调速指标和特征；再次介绍了转速负反馈直流电机调速；最终，利用MATLAB进行了仿真和调试。经过仿真和调试使系统最终达成稳定状态。当然，系统还存在一定不足，因为用到是单闭环控制，所以在调速过程中，系统稳态性能还不尽如意，在一定调速范围内能满足要求，而在部分要求比较高系统中，就极难实现，此时就应该采取双闭环控制。这次经过对单闭环直流电机调速系统设计，不仅复习和巩固了专业知识，还使自己能愈加熟练地利用自控理论分析和处理问题。在设计过程中，包含matlab仿真技术，使自控原理中各参数得以更直观反应，最终经过此次课程设计，我又重新认识了电力电子这门课程，它是电机拖动基础，还有仿真技术，这些对我们全部很关键，应该加倍重视。参考文件1 电力拖动控制系统 陈伯时 2 自动控制原理 胡寿松 3 控制系统Matlab计算及仿真实训黄忠霖 4 电力电子技术 黄俊