單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與Matlab仿真(一)

1、12課題:一、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與Mat I ab 仿真（一）作者：學號：專業(yè)：班級: 指導教師：摘要在對調(diào)速性能有較高要求的領域，如果直流電動機開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 性能不滿足要求，可利用速度負反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比 例調(diào)節(jié)器的負反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差， 可利用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。通過對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機模型和測速電機等模塊的理論分析，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機調(diào) 速系統(tǒng)的最優(yōu)模型，然后用此理論去設計一個實際的調(diào)速系統(tǒng)。本設計首先進行總體系統(tǒng)設計，然后確定各個參數(shù),當明確了系 統(tǒng)

2、傳函之后，再進行穩(wěn)定性分析，在穩(wěn)定的基礎上，進行整定以達到設計要求。另外，設計過程中還要以Mat lab為工具，以求簡明直觀而方便快捷的設計過程。摘要：Mat lab開環(huán)閉環(huán)負反饋靜差穩(wěn)定性V-M系統(tǒng)目錄摘要2、設計任務41已知條件42、設計要求4二、方案設計51、系統(tǒng)原理52控 制 結(jié) 構 圖6三、參數(shù)計算7四、PI調(diào)節(jié)器的設計9五系統(tǒng)穩(wěn)定性分析11六、小結(jié)12七 參考文獻13、設計任務1、已知條件已知一晶閘管-直流電機單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))的結(jié)果如 圖所示。圖中直流電機的參數(shù)： Pnom二2. 2KW, nnom=1500r/mi n, lnom=12. 5A, Unom二220,

3、V電樞電阻Rah歐，V-M系統(tǒng)主回路總 電阻R=2.9歐，V-M系統(tǒng)電樞回路總電感L=40mH,拖動系統(tǒng)運動部 分飛輪力矩GD2=1.5N.m, 2測速發(fā)動機為永磁式，ZYS231/110xi型，整流觸瀏速反慣系數(shù)圖15-1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結(jié)構圖Ks=44三相橋平均失控時間2、設計要求：(1) 生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍D二15(2) 靜差率sW5%,(3) 若U*n=10V時，n=nnom=1500r/mi n,校正后相角穩(wěn)定裕度Y=45 o,剪切頻率 3 c35. Orad/s，超調(diào)量o W30%，調(diào)節(jié)時間ts W0. 1s二、方案設計仁控制原理根據(jù)設計要求，所設計的系統(tǒng)

4、應為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，選定轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)對直流電機的無極平滑調(diào)速。所以，設計如下的原理圖:圖1、單閉環(huán)：fi流調(diào)速系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速用與電動機同軸相連的測速電機產(chǎn)生的正比于轉(zhuǎn)速的電壓信號 反饋到輸入端，再與給定值比較，經(jīng)放大環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制電壓，再通過電 力電子變換器來調(diào)節(jié)電機回路電流，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運算放大器實現(xiàn)，主電路用晶 閘管可控整流器調(diào)節(jié)對電機的電源供給。所以，更具體的原理圖如下:0圖2、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具體2、控制結(jié)構圖有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結(jié)構圖表 示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構框圖。圖3、單閉環(huán)直流

5、調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)同理,用各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表示成結(jié)構圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構框圖。由所學的相關課程知：放大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換 環(huán)節(jié)是一個時間常數(shù)很小 的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵磁下的直流電動機 是一個二階線性環(huán)節(jié)。所以，可以得到如下的框圖：圖4、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)三、參數(shù)計算：根據(jù)已知參數(shù)計算如下：1、為了滿足DJ5, SW 5%,額定負載時調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為：nns1500 0.05rici N r /min 5. 26r /minD(1 s) 15 (1 0.05)2、根據(jù)錯誤！未找到引用源。no ,求出系統(tǒng)的開環(huán)放大系

6、數(shù)先計算電動機的電動勢系數(shù)U N I N RaCe(220 12 51)V0.1383V min/ rnN1500r /min則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為opr /min 262. 11 r /min2. 9Ce閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應為nop262. 11K op 1 1 49.83 1 48.83 nd5. 263、計算測速反饋系數(shù)：Un=kA UnUn*-Un=AUn帶入已知條件 K=48. 83 , Un*=10V 得 Un=9. 8V所以反饋系數(shù)a= Un二9 8二0. 0065nnom 15004. 計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)K KCe 48.83 0. 1383 23.6Ks 0.0

7、065 44實取錯誤！未找到引用源。K P23.6按運算放大器參數(shù)，取 錯誤！未找到引用源。Ro 40K錯誤！未找到引用源。Ri K PRo 23. 6 40K 9 45K5. 反饋電壓U n nN 1500 0. 0065V 9. 75V6. 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時間常數(shù):電磁時間常數(shù)Ti電機時間常數(shù)Low 0. 0138sR 2. 9on 2d1.5 2. 9375C C30s 0.0635s對于三相橋式整流路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為Ts 0. 00167 s為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)的穩(wěn)定條件Tm(Ti Ts ) Ts2 0. 0635 (0.0138 0. 00167) 0. 0016

8、72KTiTs0.0138 0.0016742-75=Kcr按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標要求KKcr ,因此，此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定 的。四、PI調(diào)節(jié)器的設 計由于閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，利用伯德圖設計PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在 保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運行。原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為KW(S)(T. 1) (TJ. s2 T.s 1)由上已知 Ts 0. 00167s, Ti 0.0138s, Tm 0.0635s,在這里，Tm4Ti ,因此分母中的二次項T.Ti s2 Tms 1可分解成兩個一次項之積，即TmTi s2 Tms 1 0. 0008763s2 0. 0635s 1 (0. 0432s 1) (0. 0203

9、s 1)則閉環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)取為k KPK s23. 6 44 0. 0065 48.8o0. 1383于是， 是原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)W(s)-488(0. 0432S 1) (0. 0203S 1) (0. 0167S 1)三個轉(zhuǎn)折頻率分別為：W1=1/T1=1/0. 0432=23. 1sW2=1/T2=1/0. 0203=49. 3sW3=1/T3=1/0. 0167=600s利用margin命令函數(shù)n1 = 0 48. 8 ; d1 = 0.0432 1;s1=tf (n1,d1) ; n2=0m幷般二仙；唆砒0訶9邁Ztf 52, d2)1 ; s3=tf (n3, d3);2

10、sys=s1*s2*s3;marg i n(sys)得出原始的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的頻率特性如下圖2而 201gK二201g48. 8=33.77dB因為相角裕度和增益裕度GM都是負值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不 穩(wěn)定?，F(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的基礎上新添加1K pi S 1J Wpi (s)Kp20lgK 20lg 2 40lg c1 201g 2 ( c1)2 20lg c112 12 12所以 C1 K 1 2 48. 8 23. 1 49. 3s 1 235. 74s 111 1取 K Pi Ti 0. 0432s,為了使 c249. 3s 1,取 c2 40s 1,則 Li L2 30dBK

11、K所以 20lg p 30dB, p 31.6,已知 K .23. 6,所以 K75 s宀宀a cw 0. 0576T 0.0432 Kpi0. 75于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為Wpi(S)0. 0576s 取9選擇PI調(diào)節(jié)器的阻容參數(shù)。已知Ro4OK ,貝I2Ri K piRo 0. 75 40K 30K ,取 Ri0. 05761.44 F40那么校正后的動態(tài)圖如下:借號綜合1第定倍號比例調(diào)節(jié)器 町控硅鞭流器IS.441 口。沖口 41/2.92.910.00167尸 10.013昭100635s0 1383電勢系數(shù)電機電樞 傳遞函數(shù)傳動裝置 傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)速”0 0065測速反饋系數(shù)五、系統(tǒng)

12、穩(wěn)定性分由Simulink的動態(tài)模型繪制校正Bode圖 后系統(tǒng)【A, B, C, D】=linmod( mx009B，);SO二ss (A, B, C, D);S1=tf (sO);Step (s1);Frequency (racsec)相角裕度Y =45deg和增益裕度GM=23. 2dB都是正值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。由 Simulink的動態(tài)模型繪制校正后系統(tǒng)單位階躍響應曲線【A,B,C,D】 =linmod( %x009B，):SO二ss(A, B, C, D);S1=tf (sO);Step (s1);運行程序后繪制系統(tǒng)單位階躍響應曲線如下:六、心得體會經(jīng)過這次的課程設計，我學會了很多平時沒有接觸的知識。已掌 握的自動控制知識在本次實踐中得到了充分的發(fā)揮。在和同學合作的 過程中，我也充分體會到了團結(jié)協(xié)作的重要性。完成了本次課程設 計。經(jīng)過這次課設，我學習并掌握了自動控制的基本工作原理，了 解了基 本知識，拓展了知識面。溫故知新，收獲蠻多。這次設計尚存 在很多缺點和不足，希望老師