單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)-課程設(shè)計(共20頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 綜合課程設(shè)計說明書 題目：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與Matlab仿 真（一） 學(xué)院：機電與汽車工程學(xué)院 專業(yè)班級：電氣工程與自動化專業(yè)（1）班 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 目錄第1章 概述································

2、·······2第2章 調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)·····················3 2.1 直流電動機工作原理·················

3、;······4 2.2 電動機調(diào)速指標(biāo)···························4 2.3 直流電動機的調(diào)速············&#

4、183;············5 2.4 直流電機的機械特性·······················5第3章 單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)·········&#

5、183;·············6 3.1 V-M系統(tǒng)簡介······························6 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性·

6、··············7 3.3反饋控制規(guī)律·····························8 3.4 主要部件···

7、83;·····························9 3.5 穩(wěn)定條件···················

8、;·············11 3.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析························12第4章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真·······

9、;·····14 4.1 參數(shù)設(shè)計································14 4.2 參數(shù)計算及MATLAB仿真·······

10、3;···········15第5章 總結(jié)·····································&#

11、183;·24參考文獻 第一章 概述 電動機是用來拖動某種生產(chǎn)機械的動力設(shè)備，所以需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，而用于完成這項功能的自動控制系統(tǒng)就被陳為調(diào)速系統(tǒng)。目前調(diào)速系統(tǒng)分為交流調(diào)速和直流調(diào)速系統(tǒng)，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，因此在相當(dāng)長的時間內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，但近年來，隨著電子工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展，高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)也日趨廣泛。單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用越來越廣泛，其良好的調(diào)速性能及低廉的價格越來越被大眾接受。單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、電動機-發(fā)動機、閉環(huán)控制系統(tǒng)等組成

12、，我們可以通過改變晶閘管的控制角來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，本文就單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真做以下介紹。 第二章 調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2.1 直流電動機工作原理1、 直流電機的構(gòu)成 (1)定子：主磁極、換向磁極、機座、端蓋、電刷裝置； (2)轉(zhuǎn)子：電樞鐵芯、電樞繞組、換向裝置、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸； (3)氣隙2、 直流電機的勵磁方式 按勵磁方式的不同，直流電機可分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵電動機四種。直流電動機中，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，電機拖動生產(chǎn)機械沿著與電磁轉(zhuǎn)矩相同的生產(chǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，電機向負(fù)載輸出機械功率。2.2 電動機調(diào)速指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進行平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時能

13、穩(wěn)定運行，而且在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，盡量少受負(fù)載變化及電源電壓波動的影響。因此它的指標(biāo)就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率。動態(tài)性能指標(biāo):主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力。（1） 調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械在額定負(fù)載時要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速Nmax與最低轉(zhuǎn)速Nmin之比稱為調(diào)速范圍，用D表示。即 D=（2） 靜差率：調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，負(fù)載由理想空載增加到規(guī)定負(fù)載時，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想轉(zhuǎn)速n0 之比，用s表示，即 s=100%=100%（3） 調(diào)速方向:指調(diào)速后轉(zhuǎn)速比原來的高還是低，有上調(diào)和下調(diào)之分。（4） 調(diào)速的平滑性：它由一定調(diào)速范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。調(diào)速可分為有級調(diào)速和無級調(diào)速。2

14、.3 直流電動機的調(diào)速本文以他勵直流電動機為例來說明直流電機的調(diào)速，他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的直流電源供電，在勵磁電壓的作用下，勵磁繞組中通過勵磁電流，從而產(chǎn)生磁通。在電樞電壓的作用下，電樞繞組中通過電樞電流。 他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速公式： n= 式中U為他勵電動機的電樞電壓；I為電樞電流；E為電樞電動勢；R為電樞回路的總電阻；n為電機的轉(zhuǎn)速；為勵磁磁通；為由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢系數(shù)。他勵電機的調(diào)速方式有三種：電樞回路串電阻的變電阻調(diào)速、改變電樞電壓的變電壓調(diào)速、減小氣隙磁通量的弱磁調(diào)速。在實際應(yīng)用中，我們通常采用變電壓調(diào)速。2.4 直流電機的機械特性 他勵直流電動機中轉(zhuǎn)速和

15、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為n=式中為電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為 是機械特性的斜率，是轉(zhuǎn)速差。他勵直流電機的固有特性曲線如圖所示： 第三章 單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)簡介晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），其簡單原理圖如下： 圖中是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或者更多相，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點:通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點：、由于晶閘管的單相導(dǎo)電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。2、 元件對過電壓、過電流以及過高的和都十分敏感，其中任意指標(biāo)超過允許值都可能使元件在短時間內(nèi)損壞，因此必須有保護裝置和散熱

16、條件。3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性 轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如下： a、忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出都是 線性的。 b、假定只工作在系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段。 c、忽略直流電機和電位器的內(nèi)阻。 電壓比較環(huán)節(jié)： 放大器：（-放大器的電壓放大系數(shù)） 晶閘管整流與觸發(fā)裝置：（-晶閘管整流與觸發(fā)裝 置的電壓放大系數(shù)） V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性： 測速發(fā)電機：（-測速反饋系數(shù)，單位為）因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式為式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。靜特性：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系畫

17、出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖所示:3.3 反饋控制規(guī)律 從上面分析可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)k對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，k值越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣，即k越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好，然而，設(shè)計的放大器為比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為，只有時其值為0，而這是不可能的。3.4 主要部件 1、比例放大器：運算放大器用做比例放大器，圖為調(diào)節(jié)器的原理圖及輸出特性：和為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響，放大系數(shù)為:2、比例積分放大器 在定性分析控制系統(tǒng)的性能時，通常將伯德圖分成高，中，底三

18、個頻段，頻段的界限是大致的，一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)器，采用運算放大器的PI調(diào)節(jié)器如圖所示. -PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系數(shù)； -PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)； 此傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式： 式中-PI調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時間特性如圖所示 將P調(diào)節(jié)器換成PI調(diào)節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為由圖可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用，但是小于穩(wěn)定性能指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù)。因為快速性被壓低了。換來穩(wěn)定性的保證。 作為控制器，比利積分調(diào)節(jié)器兼顧了快

19、速影響和消除靜差兩方面的要求：作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、 額定勵磁下直流電動機 （主電路、假定電流連續(xù)） （額定勵磁下的感應(yīng)電動勢） （牛頓力學(xué)定律，忽略粘性摩擦） （額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩） 式中 包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為； 為電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機軸上的飛輪轉(zhuǎn) 矩，單位為； 為電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為 定義下列時間常數(shù)： -電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s; -電力拖動機電時間常數(shù)，單位為s; 得電壓與電流間的傳遞函數(shù)：電流與電動勢間的傳遞函數(shù)：額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：3.5 穩(wěn)定條件 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 穩(wěn)定條

20、件為 整理后的 上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，K值超出此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定，根據(jù)上面的分析可知，可能出現(xiàn)的系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的放大系數(shù)要小，不能同時滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)裕度，為此必須設(shè)置合適的校正裝置，才能達到要求。3.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析 1、比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用比例調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為當(dāng)時，之?dāng)_動輸入量，這時的輸出量即為負(fù)載擾動引起的轉(zhuǎn)速偏差，其計算公式為： 這和靜特性分析的結(jié)果完全一致。 2、積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用積分調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為： 突加負(fù)載時，于是 負(fù)載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差為： =0可見積分控制的調(diào)速系統(tǒng)

21、是無靜差的。 3、比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例積分控制的閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為則穩(wěn)態(tài)速差為：4、 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系 就其性能來說，比例控制是有靜差的，而積分控制和比例積分控制都沒有靜差，所以只要調(diào)節(jié)器中有積分成分，系統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動作用點以前有積分環(huán)節(jié)，則外擾動不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。 第四章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真4.1 參數(shù)設(shè)計 一、設(shè)計任務(wù) 對某直流拖動系統(tǒng)進行參數(shù)計算、建立其Matlab模型，并進行穩(wěn)定性分析，根據(jù)系統(tǒng)要求用Matlab軟件工具對系統(tǒng)進行動態(tài)校正即作調(diào)節(jié)器設(shè)計。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)）的動態(tài)結(jié)構(gòu)

22、如圖所示： 比例調(diào)節(jié)器 可控硅整流器 電機電樞傳遞函數(shù) 傳動裝置傳遞函數(shù) 電勢系數(shù) 給定信號+ + 綜合信號2 轉(zhuǎn)速n1 - 綜合信號1 - 測速反饋系數(shù) 圖中直流電機的參數(shù)：=2.2KW，=1500r/min，=12.5A，=220V，電樞電阻=1，V-M系統(tǒng)主回路總電阻R=2.9，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=1.5，測速發(fā)動機為永磁式，ZYS231/110xi型，整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù)=44，三相橋平均失控時間=0.00167s。二、設(shè)計要求 生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍D=15，靜差率s5%，若U*n=10V時，n=nnom=1500r/min，校正后相角穩(wěn)定

23、裕度=45o，剪切頻率c35.0rad/s，超調(diào)量30%，調(diào)節(jié)時間ts0.1s。4.2 參數(shù)計算及MATLAB仿真一、穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算1、計算滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)開 環(huán)放大系數(shù)K。 （1）、額定磁通下的電機電動勢轉(zhuǎn)速比 （2）、滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降 （3）、開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降 （4）、根據(jù)自動控制理論有 = 即滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)開 環(huán)放大系數(shù) K=48.80082、計算系統(tǒng)測速反饋系數(shù) 對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有靜差結(jié)構(gòu)圖如圖所示: - - n n 根據(jù)自動控制理論有如下方程組。 式中: 代入已知條件，得解次方程組得 3、 計算比例調(diào)節(jié)器的放大

24、系數(shù) 根據(jù)自動控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)、測速反饋系數(shù)、電機電動勢轉(zhuǎn)速比與放大系數(shù)之間滿足關(guān)系式： 代入計算得 4、 計算參數(shù)與。 （1）、電樞回路電磁時間常數(shù) 代入計算的 （2）、系統(tǒng)運動部分飛輪矩相應(yīng)的機電時間常數(shù) 代入數(shù)據(jù)計算得 5、 繪制帶參數(shù)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 下圖即為模型mx1501.mdl,圖中Kt=6、計算閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)。 根據(jù)自動控制理論的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為，其臨界開環(huán)放大系數(shù) 代入計算得閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)為 。 2、 穩(wěn)定性分析1、 計算系統(tǒng)閉環(huán)特征根以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。a,b,c,d=linmod(

25、9;smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sys1=zpk(s1);P=sys.den1;roots(P)程序運行結(jié)果ans = 1.0e+002 * -6.7944 0.0409 + 2.2377i 0.0409 - 2.2377i 經(jīng)過程序計算得系統(tǒng)的兩個特征根為 、 即閉環(huán)系統(tǒng)特征根有兩個根的實部為正，說明系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。2、 繪制比例調(diào)節(jié)器Kp=20和Kp=21系統(tǒng)的單位給定階躍響應(yīng)曲線以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。（1） 比例調(diào)節(jié)器Kp=20時，求閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。根據(jù)，有>> syms Kp Ks Ce alpha;>&

26、gt; Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;>> K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運行結(jié)果K = 41.3594即Kp=20對應(yīng)著閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=41.3594。（2）當(dāng)Kp=20時，繪制其系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線。a,b,c,d=linmod('smx1501');>> s1=ss(a,b,c,d);>> sys=tf(s1);step(sys);可見系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線呈現(xiàn)劇烈的震蕩，如上圖所示。（3）比例調(diào)節(jié)器Kp=21時，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=43.4273 程序如下 syms Kp Ks Ce

27、 alpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/CeK =43.4273（4）當(dāng)Kp=21時，繪制其單位階躍響應(yīng)曲線 程序如下a,b,c,d=linmod('smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys);由曲線可看出，系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)定。3、 分別以相角穩(wěn)定裕度與剪切頻率為校正主要指標(biāo)對系統(tǒng)進行滯后校正。模型mx1501.mdl的開環(huán)模型為mx1501A.mdl如下圖所示（1）、調(diào)用自編函數(shù)lagc（）設(shè)計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)程序運行結(jié)果Transfer function:0.1611 s + 1-1.699 s + 1wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)程序運行結(jié)果Transfer function:0.2857 s + 1- 6.26 s + 1即以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標(biāo)的滯后校正器為Gcs=0.1611s+11.699s+1,而以剪切頻率為主要校正指標(biāo)的滯后校正器為Gcs=0.2857s+16.26s+1。（2）驗算設(shè)計的校正器的