电传动内燃机车速度控制实验报告.docx

实践报告

　　　　 题目： 电传动内燃机车的速度控制
学院：　 自动化工程学院
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2016年01月20日

目 录
一． 课程设计背景····································· 2
1.电传动内燃机车工作原理 ························· 2
2. 机车牵引性能的基本概念 ························ 2
二． 控制对象建模····································· 3
三、控制器的设计要求和方案·························· 4
1.控制设计要求···································· 4
2.设计方案········································ 4
四、实验设计与实现 ································· 4
1.PID衰减振荡法·································· 5
2.频域控制法···································· 7
六．实践心得··································· 11

一．课程设计背景
1. 电传动内燃机车工作原理
电传动内燃机车是铁路上常用的一种内燃机车。它使用柴油机带动一台发电机，将电流输给牵引电动机，再通过齿轮传动来驱动机车运行。有直——直流电传动（发电机和电动机都是直流的），交——直流电传动，交——交流电传动三种方式。
电力传动内燃机车的能量传输过程是由柴油机驱动主发电机发电，然后向牵引电动机供电使其旋转，并通过牵引齿轮传动，驱动机车车轮的旋转。电力传动原理图如图1：

图1 电力传动工作原理
1 －柴油机； 2 －牵引发电机； 3 －电路； 4 －牵引电动机；
5 －主动齿轮； 6 －从动齿轮； 7 －动轮

2. 机车牵引性能的基本概念
机车牵引列车运行是由于它具有相当大的牵引力，用来克服列车起动时和运行中所受的阻力。机车牵引力（ F ）和运行速度（ V ）的乘积，就是机车的功率（ P ），即 F · V ＝ P ，常用“千瓦”做单位。任何一种机车，它的最大功率是一定的，叫做标称功率。机车在牵引列车时，所受到的阻力是经常变化的。当阻力增大时，机车就要发挥出更大的牵引力来克服它；反之，当阻力减小时，牵引力就可以小一点。为了充分利用机车的功率，要求机车在各种不同运行阻力的情况下，都能具有恒功率输出性能。这就要使 F · V ＝常数。可见牵引力和速度之间应当成反比关系：当速度小时，牵引力大；速度大时，牵引力小。把对 F 和 V 的这种要求表示在坐标上，应该是一条双曲线，如图2所示：

图2 机车理想牵引性能曲线
这条曲线叫做机车理想牵引性能曲线，无论任何一种机车的牵引性能，都应与它相符合。当然，曲线的两端不能无限延长。左端，牵引力不能超过轮轨之间的粘着力，否则车轮会空转；右端，速度也不能超过机车构造所能允许的范围。
电力传动内燃机车是由牵引电动机通过齿轮驱动的，所以机车牵引力和速度取决于牵引电动机的转矩和转速，从而也就决定了机车的牵引特性。直流串励牵引电动机的速率与转矩关系如图3所示：

图3 直流串励电动机转速与转矩的关系
它所具有的工作特性最适合于机车牵引的要求。即机车上坡或负载增加时，牵引电动机转矩较大，而转速较低，反之，则转矩减小，转速上升。
在电传动内燃机车上，牵引电动机一般都采用直流串励电动机。这是因为这种电动机的转矩和转速能按照列车运行阻力和线路条件的变化自动进行调节。当机车上坡运行或负载加大时，电机的转速能随着转矩的增大而自动降低，两者的关系非常接近理想牵引性能曲线，可以满足列车牵引的要求。在内燃机车交-直流传动系统中，控制系统根据功率偏差信号使励磁电流发生变化，牵引发电机输出功率随之改变，从而在维持柴油机输出功率恒定的基础上，调节电动机转速，实现机车的速度控制。
二、控制对象建模
根据电传动内燃机车的速度控制原理对控制对象进行建模，控制系统的方框图如图4：

图4 电传动内燃机车的速度控制系统方框图

已知电传动内燃机车的角速度控制过程模型为：

将已知参数代人可得控制系统的开环传递函数：
→
三、控制器的设计要求和方案
1. 控制设计要求
试设计一个控制器，使电传动内燃机车的速度控制系统达到性能指标：阶跃响应稳态误差；超调量；调整时间
2. 设计方案

此类型的题目借助matlab都可以得到快速的解决。
首先选择PID，因为非常成熟，可以利用的经验比较丰富。它的各参数与系统时间域性能指标直接相关，调节起来比较方便。
频域方法归根到底都是PID方法，用频域法设计就是选择控制器的零点和极点，促使系统朝有利于提高系统性能的方向变化，由于这是高阶系统，普通的计算比较困难，因为无法考虑全闭环零点和闭环极点对系统性能的综合影响，所以考虑在rltool环境下设计。

四、 实验设计与实现
1. PID控制器
PID控制是配合使用合适的比例、积分、微分环节，通过在Simulink仿真层面上进行调试，根据结果整定参数，最后满足题目要求。其中，比例作用增加，可减小稳态误差，提高响应速度，但会加剧振荡；比例积分控制可以使系统由有差系统变为无差系统，增加积分参数，可以减少超调量，但积分参数太小时，会使系统变得不稳定；合适的微分作用可以使系统的过渡时间变短，超调量减小。
Simulink模型图如下：

使用衰减曲线经验公式法整定参数：
先令积分环节和微分环节不发生作用，单独调整比例参数Kp，从0开始，逐次增大，大约在K=0.017的时候，出现了4:1的衰减比。此时震荡周期Tk=0.9s ，比例带

通过查询衰减振荡法PID参数整定表，可依次计算得出各参数：
Kp=0.021；Ti=0.27s；Td=0.09s
衰减振荡法PID整定参数表

比例度
Ti
Td
P

PI

0
PID

从图中可以看出σ%=10%，ts=1s，所以需要减小超调和调整时间，减小超调量的方法有：减小Kp，增大Ti，增大 Td，减小调整时间的方法有，减小Kp，增大Ti，增大Td，在调节的时候三个参数之间是相互约束的，应该协调三个参数经过多次调增后终于在Kp=0.021；Ti=0.36s；Td=0.16s时满足要求，

检验稳态误差＜；‚超调量＜；ƒ调整时间＜。故满足条件，设计完成。
比例、积分、微分控制对系统的控制影响分析：
I)比例控制对系统的控制影响：
保持结果中Ti和Td不变，使Kp为0.01 0.021 0.03。
g=tf(1000,[0.03 0.53 3.12 8.2]);
kp=[0.01 0.021 0.03] ;ti=0.36;td=0.16;
for i=1:length(kp)
gc=tf(kp(i)*[td*ti ti 1],[ti 0]);
ggc=feedback(gc*g,1);
step(ggc)
hold on;grid on;end

如图所示：Kp的增大，使得上升时间变短，超调量增大，响应振荡加剧，响应速度变快。
Ⅱ)积分控制对系统的控制影响：
保持结果中Kp和Td不变，使Ti为0.32 0.36 0.40
g=tf(1000,[0.03 0.53 3.12 8.2]);
kp=0.021;ti=[0.32 0.36 0.40];td=0.16;
for i=1:length(ti)
gc=tf(kp*[td*ti(i) ti(i) 1],[ti(i) 0]);
ggc=feedback(gc*g,1);
step(ggc)
hold on;grid on;end

如图所示：Ti的减小使得超调量增加，但是根据实验得到Ti不能太小，否则会使系统不稳定。

Ⅲ）微分环节对系统的控制影响：
保持结果中Kp和Ti不变，使Td为0.12 0.16 0.20
g=tf(1000,[0.03 0.53 3.12 8.2]);
kp=0.021;ti=0.36;td=[0.12 0.16 0.20];
for i=1:length(td)
gc=tf(kp*[td(i)*ti ti 1],[ti 0]);
ggc=feedback(gc*g,1);
step(ggc)
hold on;grid on;end
怕，
如图所示：Td的增加使得超调量减小，上升时间减小。

2. 频域控制法
根据原系统的参数，做一下措施
1）确定Kc的值

由≤0.1，可以得出ξ≥0.5912，又γ=tan-1，可以得到tanγ≥1.638,即γ≥58.59°
因为

所以wc>=0.032

当选用 时，求此时的Kc

故，此时的
在matlab下输入s1=tf(812,[0.03 0.53 3.12 8.2]);rltool(s1)

原系统乘上Kc后的bode图
分析：原系统乘上不能满足题目要求。故需要加入控制器。
当只加入滞后控制器后：

分析：在只加滞后控制器的情况下，系统的超调量和调整时间都不能满足题目要求，并且调整到符合题意的参数花费了大量时间，为此我们需要在滞后的基础上加上超前校正

分析：在滞后—超前控制器的作用之下，系统的超调量为8.62%，同时系统的调整时间为0.99。系统的快速性、准确性在控制器的作用下大大增大。

所以：

五． 实践心得
此次课程设计，由于很早之前题目便已经被选定，我们的准备工作也就相应的很早就展开了。首先当然是查阅资料，根据题目的要求，能够调适性的搭建出内燃机车的速度控制系统的模型。然而，我个人发现，虽然这一学期我们学习了一些自动控制原理的知识，但是并不能将这些知识活学活用，很多东西学过就忘掉了，需要重新温习，不过好在准备的早，大家都没有太生疏。
我在本次课程设计中主要用了PID衰减振荡法和频域控制法来进行调试的。不管是PID还是频域，在数据的调试方面，都花费了我很多的精力。频域是用我不擅长的rltool工具做出来的，因此我们小组充分发挥了团队精神，让此次课程设计的知识能够在每个人的身上体现出来，我们将滞后与超前校正联合用在一起，成功的搭建出了控制器模型。虽然最后能够调出满足设计要求的模型，但是离我心目中期望的结果还是有一点差距的，我也在不断地努力，使结果更加完善。
通过此次课程设计，提高了我们努力探索知识的本领，相信不管是在团队合作方面，以及培养善于思考问题，解决问题方面都会有很大的提高。

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