單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、綜合課程設(shè)計(jì)說明書題目：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系 Matlab仿真（一）學(xué)院：機(jī)電與汽車工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)（1）班姓名：學(xué)號(hào)： 07240113指導(dǎo)教師：目錄第一章概述2第二章調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)32.1 直流電動(dòng)機(jī)工作原理42.2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速指標(biāo)42.3 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速52.4 直流電機(jī)的機(jī)械特性5第三章單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)63.1 V-M 系統(tǒng)簡介63.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性73.3 反饋控制規(guī)律83.4 主要部件93.5 穩(wěn)定條件113.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析12第四章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真144.1參數(shù)設(shè)計(jì)144.2參數(shù)計(jì)算及MATLA昉真15

2、第五章總結(jié)24參考文獻(xiàn) 第一章 概述電動(dòng)機(jī)是用來拖動(dòng)某種生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)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(xiàng)功能的自動(dòng)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(dòng)態(tài)性能，因此在相當(dāng)長的時(shí)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(jī)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(jià)格越來越被大眾接受。單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、電動(dòng)機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等組成，我們可以通

3、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(jì)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(dòng)機(jī)工作原理一、直流電機(jī)的構(gòu)成(1) 定子：主磁極、換向磁極、機(jī)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) 氣隙二、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式按勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)四種。直流電動(dòng)機(jī)中，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，電機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械沿著與電 磁轉(zhuǎn)矩相同的生產(chǎn)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)向負(fù)載輸由機(jī)械功率。2.2 電動(dòng)機(jī)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(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，并 且在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，而且在某

4、一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，盡量 少受負(fù)載變化及電源電壓波動(dòng)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(dòng)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(jī)械在額定負(fù)載時(shí)要求電動(dòng)機(jī)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=N您N min(2)靜差率：調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加 到規(guī)定負(fù)載時(shí)，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落n與理想轉(zhuǎn)速no之比，用s表示，即s= 100%=nLJn 100% 叫no(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(jí)數(shù)來說明。調(diào) 速可分為有級(jí)調(diào)速

5、和無級(jí)調(diào)速。2.3 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速本文以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例來說明直流電機(jī)的調(diào)速，他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì) 磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電，在勵(lì)磁電壓Uf的作用下，勵(lì)磁繞組中通過勵(lì)磁電流 I-從而產(chǎn)生磁通 。在電樞電壓5的作用 下，電樞繞組中通過電樞電流 Iao他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n= -E- = U-IRCE CE式甲U為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓；I為電樞電流；E為電樞電動(dòng)勢；R為 電樞回路的總電阻；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；為勵(lì)磁磁通；Ce為由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢系數(shù)。他勵(lì)電機(jī)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(shí)際應(yīng)用中，我們

6、通常 采用變電壓調(diào)速。2.4 直流電機(jī)的機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為n=U 丁 no n n0 TCe CeCt式中n0為電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為no與Ce是機(jī)械特性的斜率，n是轉(zhuǎn)速差。他勵(lì)直流電機(jī)的固有特性曲線如圖所示：第三章單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)3.1 V M系統(tǒng)簡介晶閘管一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），其簡單原理圖如下：圖中VT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(diǎn)：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即 可改變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：1、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

7、逆運(yùn)行造成困難。2、元件對過電壓、過電流以及過高的曲和史都十分敏感，其中任意dt dt指標(biāo)超過允許值都可能使元件在短時(shí)間內(nèi)損壞，因此必須有保護(hù)裝置和散熱條件。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)的輸入輸生都是線性的。b、假定只工作在系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段。c、忽略直流電機(jī)和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié)：Un Un Un放大器：Uc Kp Un （ Kp-放大器的電壓放大系數(shù)）晶閘管整流與觸發(fā)裝置：Udo KsUc （Ks-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(jī)械特性：n Ud0 IdRCe測速發(fā)電機(jī)：Ut

8、g n （-測速反饋系數(shù)，單位為 Vmin/r）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K KpKs /Ce為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以-1 %作為電動(dòng)機(jī)Ce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(dòng)機(jī)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)系畫由閉環(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由，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(jì)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?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為nd只有K時(shí)其值為0

9、,而這是不可能的。Ce(1 K) 3.4主要部件比例放大器：運(yùn)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:Uin和U ex為放大器的輸入和輸由電壓，Rcef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(shí)，通常將伯德圖分成高，中，底三個(gè)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(yùn)算放大器的 PI調(diào)節(jié)器如圖所示Kpi晟-PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系數(shù);R0C-PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)；此傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式：式中i Kpi R1C1-PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間

10、常數(shù)在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸由電壓的時(shí)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Wpi(s)Kpi s 1Kp s由圖可以看出比例積分的物理意義在突加輸入電壓時(shí)，輸由電壓突跳到,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?yàn)榭焖傩员粔旱土?。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(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)Ud0 RIdCen有E （主電路、假定電流連續(xù)）（額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢）Tl2,嗎？5 （牛頓力學(xué)定律，忽略粘性摩擦） 375 出TeCm

11、Id（額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩）式中包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm ；GD2為電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2;Nm/ACm 30Ce為電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為定義下列時(shí)間常數(shù)：Tf -電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，單位為 S;R2Tm /-電力拖動(dòng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，單位為 S;375CeCm得電壓與電流間的傳遞函數(shù):Id(s) I/RUd0(s)E(s) IfS 1電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)：RId（s） Idf（s）TmS額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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)定條件為整理后的上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)

12、，K值超由此值,系統(tǒng)就不穩(wěn)定,根據(jù)上面的分析可知，可能由現(xiàn)的系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的放大為此必系數(shù)要小，不能同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)裕度, 須設(shè)置合適的校正裝置，才能達(dá)到要求。3.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1、比例控制時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為當(dāng)Un即為負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差n ,0時(shí)，之?dāng)_動(dòng)輸入量Idl, 其計(jì)算公式為：這時(shí)的輸出量n lims n limS 0S 0RIdf(s) (TsS 1)(T1S 1) CeLR(TsS 1)(TmTfS2 TmS 1) KCe(1K)這和靜特性分析的結(jié)果完全一致。2、積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差

13、采用積分調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為:突加負(fù)載時(shí)Idi(S)于是Sn(s)I . R于？(TsS 1)(TlSCes(TsS 1)(TmTiS2 TmS 1)1)KsCe負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差為:n(s) lims n(s) lims 0s 0idlRCe(TsS 1)(T1S 1)2S(TsS 1)(TmTSTmS 1)=0KsCe可見積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的O3、比例積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例積分控制的閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)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

14、。只要在控 制系統(tǒng)的前向通道上在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前有積分環(huán)節(jié)，則外擾動(dòng)不會(huì)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(jì)及仿真4.1參數(shù)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)對某直流拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、建立其 Matlab模型，并進(jìn)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(jìn)行動(dòng)態(tài)校正即作調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。已知一晶閘管-直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖所示:比例調(diào)節(jié)器可控硅整流器電機(jī)電樞傳遞函數(shù)傳動(dòng)裝置傳遞函數(shù)電勢系數(shù)感L=40mH拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪力矩GD2 =1.5 N?m2,測速發(fā)動(dòng)機(jī)為永磁式，ZYS231/110xi型，整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù) Ks=44,三相橋平均失控時(shí)間 Ts

15、=0.00167s、設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=15,靜差率sW5%若U*n=10V時(shí),n=nnom=1500r/min ,校正后相角穩(wěn)定裕度丫=45。，剪切頻率a c 35.0rad/s ,超調(diào)量30%調(diào)節(jié)時(shí)間ts syms Kp Ks Ce alpha; Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065; K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運(yùn)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(shí)，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=

16、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(shí)，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=43.4273程序如下syms Kp Ks Ce alpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/CeK =43.4273( 4)當(dāng)Kp=21 時(shí)，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(jìn)行滯后校正。模型

17、 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(jì) 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(yùn)行結(jié)果Transfer function:0.1611 s + 11.699 s + 1wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)程序運(yùn)行結(jié)果Transfer function: 0.2857 s + 16.26 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_ 0,1611s + 1=1.699s

18、+ 1而以剪切頻率為主要校正指標(biāo)的滯后校正器為0.2857s + 1乙= 626s + 1(2)驗(yàn)算設(shè)計(jì)的校正器的校正結(jié)果。對以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標(biāo)的校正器為0,1611s + 1GS)= 1,699s + 1程序如下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)Bode DiagramGm = 18.5 dB (at 202 rad/sec) , Pm = 47.7 deg (at 62.3 rad/sec)50-50-1001rl-150Frequency (rad/sec)繪制由系統(tǒng)的 Bode圖如上圖所示，從圖可以看由，校正后系統(tǒng)的相角穩(wěn) 定裕度y=47.7=回，達(dá)到預(yù)期目的。學(xué)對以剪切頻率為校正主要指標(biāo)的校正器為0,2857s + 16.26s + 1程序如下：a,b,c,d=linmod(mx1501A)