双闭环直流调速系统的设计与仿真开题报告.doc

南京工程学院自动化学院毕业设计开题汇报课题名称：双闭环直流调速系统设计和仿真研究姓 名： 吴杰 班 级： 10自动化1 指 导 教 师： 张贞艳 所 在 系 部： 自动化学院 专 业 名 称： 自动化 南京工程学院 3 月毕业设计(论文)开题汇报学生姓名吴杰学 号专 业自动化指导老师姓名张贞艳 职 称讲师所在系部自动化学院课题起源老师自拟课题类型工程设计课题名称 双闭环直流调速系统设计和仿真研究毕业设计内容（包含技术准备、技术内容和设计要求等）：毕业设计内容（包含技术准备、技术内容和设计要求等）：毕业设计内容（包含技术准备、技术内容和设计要求等）：毕业设计内容和意义一、 毕业设计内容（包含技术要求、图标要求和工作要求等）：1.简单闭环调速系统系统性能分析，其中包含单闭环有、无静差转速负反馈调速系统和带电流截止转速负反馈调速系统性能分析。经过比较它们性能分析结果，得出它们不足之处，从而引出双闭环直流调速系统。2.双闭环直流调速系统设计，其中包含建立双闭环调速系统方框图和仿真模型。而且经过仿真分析结果，和简单闭环调速仿真分析进行比较，从而得出双闭环直流调速优越性。3.双闭环V-M系统设计，其中包含调整器选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结果分析等。4.双闭环PWM-M调速系统设计，其中包含调整器选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结构分析等。二、 毕业设计意义1.依据MATLAB/Simulink仿真平台，研究双闭环直流调速系统性能。双闭环直流调速系统是现在应用最广泛调速系统，该系统含有调速范围宽、稳定性好、精度高等很多优点，在拖动领域中发挥着极其关键作用1。采取该系统可取得优良静、动态调速特征。此系统控制规律，性能特点和设计方法是多种交、直流电力拖动自动控制系统关键基础2。2.经过比较单闭环有、无静差转速负反馈调速系统和带电流截止负反馈调速系统仿真结果，从而得到它们各自不足之处，从而突出双闭环直流调速系统优越性和必需性。3.经过对双闭环V-M系统和双闭环PWM-M调速系统这两种经典双闭环调速系统仿真分析，帮助我们愈加好了解和应用双闭环直流调速系统。4.经过对转速、电流双闭环直流调速系统了解，使我们能够愈加好掌握调速系统基础理论及相关内容，在对其多种性能加深了解同时，能够发觉其缺点之处，经过对该系统不足之处完善，可提升该系统性能，使其能够适适用于多种工作场所，提升其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握多种交、直流调速系统原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。文件综述1.中国外现实状况及发展趋势 1中国现实状况及发展趋势从七十年代开始，因为晶闸管直流调速系统高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统通常含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、和缺相和过流保护电路等。给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调整。采取双PI调整器，可取得良好动静态效果【3】。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能动力。尽管现在交流调速快速发展，交流调速技术越趋成熟，和交流电动机经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户欢迎。不过直流电动机调速系统以其优良调速性能仍有宽广市场，而且建立在反馈控制理论基础上直流调速原理也是交流控制基础【4】。在我们中国，双闭环控制也已经经过了几十年发展时期，现在已经基础发展成熟，不过现在趋势仍是追赶着发达国家脚步，向着数字化发展。2国外现实状况及发展趋势 从80年代中后期起，世界各大电气企业全部在竞相开发数字式调速传动装置直流调速已经发展到一个很高技术水平：功率元件采取可控硅；控制板采取表面安装技术；控制方法采取电源换相、相位控制。尤其采取了微机及其它优异技术，使数字式直流调速装置含有很高精度、良好控制性能和强大抗干扰能力，在中国外受到广泛应用【5】。现在，发达国家应用优异电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍应用到了各类仪器仪表，机械重工业和轻工业生产过程中。伴随全球科技日新月异发展，双闭环控制系统总发展趋势也向着控制数字化、智能化和网络化发展。2.MATLAB/Simulink仿真平台 1MATLAB/Simulink介绍MATLAB是一个科学计算软件，MATLAB是“矩阵试验室”(Matrix Laboratory)缩写，这是一个以矩阵为基础交互式程序计算机语言。因为它使用方便，输入便捷，运算高效，适应科技人员思维方法，而且有绘图功效，有用户自行扩展空间，尤其受到用户欢迎，使它成为在科技界广为使用软件，也是中国外高校教学和科学研究常见软件。Simulink系统仿真环境实在MATLAB原来工具箱基础上拓展和开发，它包含Simulink仿真平台和系统仿真模型库两部分，它是一个高级计算和仿真平台6 。 2仿真数值算法Ode45为基于显式Rung-Kutta和Dormand-Prince组合算法，它是一个一步解法，只要知道前一段时间点解，就能够计算目前时间点方程解。这种算法适适用于仿真线性化程度比较高系统。此算法是仿真默认算法。Ode15s是一个可变阶数Numerical differentiation formulas (DNFS）算法，当碰到刚性（stiff）问题时或使用ode45算法不行时，你能够试试这种算法7。Ode23tb（stiff/TR-BDF2)采取TR-BDF2算法，即在龙格-库塔法第一阶段用用梯形法，第二阶段用二阶backward differentiation formulas算法，在容差比较大时，ode23tb和ode23t全部比ode15s好【8】。3.直流调速系统直流电动机含有良好开启、制动性能，宜于在宽范围内平滑无级调速，在轨钢机、铁路机车、造纸机、金属切割机床、高层电梯、矿井卷场机、挖掘机等需要高性能可控电力拖动领域中得到了广泛利用。可控直流电源电动机调速系统，包含直流电动机开启、开环直流调速、单闭环直流调速、双闭环直流调速和直流脉宽PWM-M等调速系统仿真9。直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高，维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机含有较高过载能力、较大开启转矩和良好开启、制动、平滑调速性能，能够在很宽范围内平滑调速，能在很短时间里改变转向，所以直流调速系统在现阶段仍然是自动调速系统关键形式10。转速-电流双闭环直流调速系统含有结构简单，工作可靠，且设计较为方便特点，是应用很广泛一个直流调速系统11。4.双闭环直流调速系统 1双闭环直流调速系统必需性采取转速负反馈和PI调整器单闭环调速系统能够确保系统稳定条件下实现转速无静差。不过，假如对系统动态性能要求较高，比如要求快速起制动、突加负载等等，单闭环系统就难以满足需要。这关键因为单闭环系统不能完全根据需求来控制动态过程电流或转矩12。 一样，带电流截止负反馈调速系统即使能够控制电流，但它只是在超出临界电流Idcr值以后，靠强烈负反馈作用限制电流冲击，并不能很理想地控制电流动态波形。所以，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调整器，分别调整转速和电流，二者之间实施串级联接。以下图1所表示。这就是说，把转速调整器输出看成电流调整器输入，再用电流调整器输出去控制晶闸管整流器触发装置13。从闭环结构上看，电流调整环在里面，叫做内环;转速调整环在外面，叫做外环。这么就形成了转速、电流双闭环直流调速系统14。图1 转速、电流双闭环直流调速系统结构双闭环控制直流调速系统特点是电动机转速和电流分别由两个调整器进行控制，而且转速调整器输出是电流调整器给定，所以电流环能够随转速偏差调整电动机电枢电流15。当转速低于给定转速时，转速调整器积分作用使其输出增加，即电流给定值上升，从而经过电流环调整作用，使电动机电流增加、电动机取得加速转矩、电动机转速上升；当实际转速高于给定转速时，转速调整器输出减小，即电流给定值减小，而且经过电流环调整，是电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速16。在转速调整器饱和、输出达成限幅值时，电流环即以最大电流Idm运行，实现电动机将以可能最大加速度加速，使电动机起动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机快速起、制动。在不可逆调速系统中，因为晶闸管整流器不能经过反向电流，所以不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。 2双闭环V-M系统 电源是静止装置，由电力电子AC/DC变换器供电，经过改变晶闸管控制角来改变可控整流器输出电压大小和极性，这种直流调速系统为“晶闸管-电机调速系统”，简称“V-M系统”。V是晶闸管整流器，经过调整触发器装置GTF控制电压来移动触发脉冲相位，即可改变整流器输出电压Ud，从而实现直流电机M调速17。因为晶闸管可控整流器输出电压Ud，从而实现直流电机平滑调速。因为晶闸管可控整流器输出电流是单方向，所以由单组可控整流器组成V-M系统，其输出电流不许可反向。 3双闭环PWM-M调速系统脉宽调制（PWM）控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好优点而成为电力电子技术最广泛应用控制方法，最常见PWM直流调压调速技术含有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等特点，尤其在中、小容量系统中得到了广泛应用18。伴随电力电子技术发展,70年代以来出现了有自关断能力电力电子器件,如,电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场效管(P-MOSFET)等。由该类器件组成直流脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)功率放大器已被成功地用于直流调速系统。它是利用器件开关作用将直流电源电压转换成频率为2kHz左右(或更高)方波电压,加在直流电动机电枢上,经过对方波脉冲宽度控制来改变电枢平均电压,从而调整电动机转速19。因为PWM调速系统中功放元件工作在开关状态,且开关频率高,故和V-M系统相比含有下列优点:(1) 电枢电流易连续,系统低速性能好,调速范围宽;(2) 系统频带宽,快速性好,动态抗干扰能力强;(3) 主电路器件开关损耗小,装置效率高。参考文件1常万仓,杜翠静.双闭环直流调速系统工程设计和仿真A. 第十三届中国科协年会第10分会场-节能减排战略和测控技术发展学术研讨会论文集C. 2 ZHAO Yao, DING Longhan. Intelligent control of parallel double-loop DC motor speed control systemsJ. Proceedings of the 3thWorld Congress on Intelligent Control and Automation, (7): 416-4183洪乃刚电力电子技术基础 清华大学出版社.1 第1版P174洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统MATLAB仿真 机械工业出版社.1 5王昌 翁国庆 张有兵 电力系统MATLAB/Simulink仿真和应用西安科技大学出版社P1686黄忠霖 黄京 电力电子技术MATLAB实践 黄京 国防工业出版社 .1 P2847周天平 刘颖慧全数字直流调速系统在轧制工艺过程中应用J机电产品开发和创新,，21（4）：156-1578邵雪卷 张井岗 赵志诚等. 双闭环直流调速系统研究J。电气电子教学学报，30（1）：75-779陈伯时 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社.6 P4910陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统 机械工业出版社 。6 11周晓宁 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统研究 第五届ABB杯全国自动化系统工程师论文大赛论文集12韦建德 基于PWM转速电流双闭环直流调速系统 海南师范大学学报 第23卷第4期 .1213薛定宇 基于MATLAB/Simulink系统仿真技术和应用 清华大学出版社 14翁剑枫 MATLAB LabVIEW SystemView仿真技术基础 机械工业出版社 15潘晓晟 MATLAB电机仿真精华50例 电子工业出版社 16逢海萍 PWM直流调速系统和V-M直流调速系统动态品质比较山东建材学院学报 第9卷第4期 1995.1217王鑫 张丽铃转速、电流双闭环直流调速系统设计SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 第1期18王忠礼 段慧达 高玉峰MATLAB应用技术在电气工程和自动化专业中应用 清华大学出版社 .119王耀德交直流电力拖动控制系统 机械工业出版社 .6研究内容1. 简单闭环调速系统仿真分析 1单闭环有静差转速负反馈调速系统仿真分析 2单闭环无静差转速负反馈调速系统仿真分析2.带电流截止负反馈系统仿真分析3.双闭环系统仿真分析4.双闭环V-M系统仿真分析5.双闭环PWM-M调速系统仿真分析研究计划特色和创新第一周 搜集资料：阅读资料、文件第二周 设计方案论证第三周 撰写开题汇报，完善开题汇报；第四面 开题汇报检验；第五周 简单闭环调速系统设计和仿真 第六周 带电流截止负反馈转速反洗系统设计和仿真第七周 双闭环V-M调速系统相关数据计算整理第八周 V-M系统MATLAB建模拟真第九周 双闭环PWM-M调速系统相关数据计算整理第十周 PWM-M调速系统建模拟真第十一周 仿真分析和总结；撰写毕业设计论文第十二周 指导老师审阅论文；学生修改完善论文第十三周 准备答辩第十四面 毕业设计答辩 1、依据计算机仿真技术，了解双闭环直流调速系统2、经过MATLAB建立仿真模型，清楚展现该系统结构3、仿真平台相对于实际产品设计降低了开发周期，为实际产品开发提供了保障4、和单闭环系统进行对比，突出双闭环优越性指导老师意 见 指导老师署名： 年 月 日 教研室意见 主任署名： 年 月 日 院系意见 院系主管领导署名： 年 月 日附：和课题内容相关外文资料翻译不少于字，参考文件不少于10种。