單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)域分析

1、邢臺(tái)學(xué)院物理系自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 設(shè)計(jì)題目： 單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)域分析 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師： 2013年 3 月 24 日邢臺(tái)學(xué)院物理系課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)： 學(xué)生姓名學(xué)號(hào)課程名稱自動(dòng)控制理論設(shè)計(jì)題目單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)域分析設(shè)計(jì)目的、主要內(nèi)容（參數(shù)、方法）及要求直流調(diào)速系統(tǒng)各部分原理簡(jiǎn)介及傳遞函數(shù)建模分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能并對(duì)其進(jìn)行時(shí)域分析基于MATLAB的時(shí)域分析工作量2周進(jìn)度安排3月11日至3月13日，準(zhǔn)備資料；3月13日至3月22日，編寫；3月23日至3月24日，制圖。主要參考資料1 謝紅衛(wèi). 現(xiàn)代控

2、制系統(tǒng). 高等教育出版社，20072 黃堅(jiān). 自動(dòng)控制原理. 高等教育出版社，20033 黃忠霖. 自動(dòng)控制原理的MATLAB實(shí)現(xiàn). 國(guó)防工業(yè)出版社，2007 4 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20085 梁虹，普?qǐng)@媛，梁潔.信號(hào)與線性系統(tǒng)分析M. 高等教育出版社，2006指導(dǎo)教師簽字系主任簽字 年 月 日摘 要單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)是把轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量，通過對(duì)給定電壓的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的調(diào)速系統(tǒng)。它能夠檢測(cè)誤差，糾正誤差，有效地解決調(diào)速范圍與靜差率的矛盾，抑制消除擾動(dòng)造成的影響，并且采用了比例積分調(diào)節(jié)器，從而實(shí)現(xiàn)了無靜差調(diào)速。由于其優(yōu)良的調(diào)速性能，在工

3、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，樓宇、辦公、家庭自動(dòng)化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量，使人類社會(huì)生產(chǎn)、生活發(fā)生了巨大的變化。本次課程設(shè)計(jì)以單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)為例，研究控制系統(tǒng)的性能，并對(duì)單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析。關(guān)鍵詞：?jiǎn)伍]環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 時(shí)域分析 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時(shí)目 錄1單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介11.1 系統(tǒng)原理11.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)11.3電流截止負(fù)反饋簡(jiǎn)介21.4各環(huán)節(jié)簡(jiǎn)介及傳遞函數(shù)31.4.1比例積分放大器31.4.2晶閘管整流器41.4.3額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)52單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)域分析72.1 系統(tǒng)動(dòng)

4、態(tài)結(jié)構(gòu)圖72.2 動(dòng)態(tài)性能分析82.3穩(wěn)態(tài)性能分析103基于MATLAB的時(shí)域分析104總結(jié)體會(huì)14參 考 文 獻(xiàn)141單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1 系統(tǒng)原理為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。 在本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)“速度變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓，用作控制整流橋的

5、“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時(shí)當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。1.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 1.3電流截止負(fù)反饋簡(jiǎn)介直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒有采取專門的限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)換向不利，

6、對(duì)于過載能力低的晶閘管等電力電子器件來說，更是不允許的。系統(tǒng)中必須設(shè)有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制的基本概念，要維持某個(gè)物理量基本不變，只要引入該物理的負(fù)反饋就可以了。所以，引入電流負(fù)反饋能夠保持電流不變，使它不超過允許值。但是，電流負(fù)反饋的引入會(huì)使系統(tǒng)的靜特性變得很軟，不能滿足一般調(diào)速系統(tǒng)的要求，電流負(fù)反饋的限流作用只應(yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)必須去掉，使電流能自由地隨著負(fù)載增減。這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才起作用的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋。直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如下圖所示，電流反饋信號(hào)取自串入電動(dòng)機(jī)電樞回路中的小阻值電阻，正比于電流。設(shè)為臨界的截止電流，當(dāng)電流

7、大于時(shí)，將電流負(fù)反饋信號(hào)加到放大器的輸入端；當(dāng)電流小于時(shí)，將電流反饋切斷。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，需引入比較電壓，圖a中用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。在與之間串接一個(gè)二極管VD，當(dāng)>時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號(hào)即可加到放大器上去；當(dāng) 時(shí)，二極管截止，消失。圖b利用穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓作為比較電壓，線路要簡(jiǎn)單得多，但不能平滑調(diào)節(jié)截止電流值。1.4各環(huán)節(jié)簡(jiǎn)介及傳遞函數(shù)1.4.1比例積分放大器比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速，又可以快速響應(yīng)控制作用。采用模擬控制時(shí)，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路圖如下

8、圖所示。 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng)；PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。此傳遞函數(shù)也可以寫成如下的形式式中PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)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(shí)間特性如下圖所示 階躍輸入時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸出特性 由上圖可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時(shí)，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)態(tài)性能指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù)的，因?yàn)榭焖傩员粔旱土?，換來穩(wěn)定性的保證。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)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。1.4.2晶閘管整流器晶閘管整流器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（

9、簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)），其簡(jiǎn)單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓UC來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud ,從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，門極電流可以直接用電子控制；響應(yīng)時(shí)間是毫秒級(jí)，具有快速控制作用；運(yùn)行損耗小，效率高；這些優(yōu)點(diǎn)使VM獲得了優(yōu)越性能。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由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。2元件對(duì)過電壓、過電流以

10、及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)有足夠的余量。在理想情況下，UC和Ud之間呈線性關(guān)系： Ud=KsUC式中 Ud平均整流電壓 UC控制電壓Ks晶閘管整流器放大系數(shù)。 VM系統(tǒng)晶閘管觸發(fā)與整流裝置的近似函數(shù)為： 1.4.3額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效原理圖（主電路，假定電流連續(xù)）（額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）（牛頓動(dòng)力學(xué)定律，忽略粘性摩擦）（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；電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪力矩，單位為

11、；電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時(shí)間常數(shù)：電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，單位為s；電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，單位為；得電壓與電流間的傳遞函數(shù)電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為所以額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖理想空載直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖 2單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)域分析2.1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2.2 動(dòng)態(tài)性能分析設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)為： 根據(jù)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖求得系統(tǒng)的前向通道傳遞函數(shù)為 對(duì)于分母中的二次因式來說，若則可作因式分解得 取控制參數(shù)，可得 將系統(tǒng)參數(shù)代入得 對(duì)分母中的二次項(xiàng)公因

12、式作分解，有 取，則有 由已知條件知，反饋通道傳遞函數(shù)為 故閉環(huán)傳遞函數(shù)為 特征方程 由勞斯判據(jù)，有 另外，考慮到=0.00167，相對(duì)其他時(shí)間常數(shù)較小，可忽略。因而系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可近似成 對(duì)照二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式，有 如果要求系統(tǒng)，則可解得 ， 2.3穩(wěn)態(tài)性能分析對(duì)于I型系統(tǒng)，在給定信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于I型系統(tǒng)，在給定擾動(dòng)信號(hào)作用的穩(wěn)態(tài)誤差為 =0系統(tǒng)總的穩(wěn)態(tài)誤差為 3基于MATLAB的時(shí)域分析 在MATLAB中，可以通過單輸入單輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的時(shí)域分析分析。如果給定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，則其時(shí)域響應(yīng)可以由以下函數(shù)得出，即： 或 注意，時(shí)間t是事先定義好的矢量。 上

13、面已經(jīng)求得單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 用MATLAB分析在不同的的值時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)鍵入如下程序t=0:0.01:2;kp1=0.01;num1=50830.43*kp1;den1=1 27.17 355.815*kp1;kp2=0.5;num2=50830.43*kp2;den2=1 27.17 355.815*kp2;kp3=1;num3=50830.43*kp3;den3=1 27.17 355.815*kp3; kp4=2.5;num4=50830.43*kp3;den4=1 27.17 355.815*kp4; kp5=4.5;num5=50830.43*kp3;

14、den5=1 27.17 355.815*kp5;y1,x,t=step(num1,den1,t);y2,x,t=step(num2,den2,t);y3,x,t=step(num3,den3,t);y4,x,t=step(num4,den4,t);>> y5,x,t=step(num5,den5,t);>> plot(t,y1,t,y2,t,y3,t,y4,t,y5);>> grid on;運(yùn)行結(jié)果如下圖 由上圖可以看出，當(dāng)=0.5時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)無超調(diào)，但調(diào)解時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)=0.01時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)的超調(diào)較大，但快速性較好。當(dāng)取最佳阻尼比時(shí)，相應(yīng)的=0.

15、1，則此時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)鍵入如下程序t=0:0.01:2;num=5083.043;den=1 27.17 355.815;step(num,den)運(yùn)行將結(jié)果為 由上圖可知上升時(shí)間峰值時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間超 調(diào) 量 4總結(jié)體會(huì)回顧本次課程設(shè)計(jì)，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整幾周的日子里，可以說是非常的忙碌，但同時(shí)又很充實(shí)，因?yàn)閺闹惺斋@很多知識(shí)。通過本次課程設(shè)計(jì)，復(fù)習(xí)和鞏固了專業(yè)知識(shí)，對(duì)單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，也使自己能夠更加熟練地運(yùn)用自控理論分析和解決問題，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。在此過程中，通過大量的查找資料和請(qǐng)教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思

16、考，動(dòng)手操作的能力，而且在各種其他能力上都有了相應(yīng)的提高，比如學(xué)會(huì)了如何熟練地使用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，論文如何生成目錄，如何使用數(shù)學(xué)編輯器等等。這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能更加深入地理解知識(shí)，獲得新知，發(fā)現(xiàn)并彌補(bǔ)自己的不足，從而提高自己實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。課程設(shè)計(jì)做完了，要感謝老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助。在這次課程設(shè)計(jì)中，遇到了許多的困難和問題，這些問題不單單是理論上的而且還有實(shí)踐操作上的具體問題，老師也提供了許多寶貴的資料，最后在老師的辛勤指導(dǎo)以及

17、同學(xué)的熱心幫助下終于迎刃而解了，同時(shí)也在老師和同學(xué)的身上學(xué)到了許多實(shí)用的知識(shí)，令我受益匪淺，在這里再次表示感謝。參 考 文 獻(xiàn)1 謝紅衛(wèi). 現(xiàn)代控制系統(tǒng). 高等教育出版社，20072 黃堅(jiān). 自動(dòng)控制原理. 高等教育出版社，20033 黃忠霖. 自動(dòng)控制原理的MATLAB實(shí)現(xiàn). 國(guó)防工業(yè)出版社，2007 4 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20085 梁虹，普?qǐng)@媛，梁潔.信號(hào)與線性系統(tǒng)分析M. 高等教育出版社，2006課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表系部： 物理系 班級(jí)： 自動(dòng)化（3） 學(xué)生姓名： 邱杰 學(xué)號(hào)： 2010341318 項(xiàng)目分值優(yōu)秀(100>x90)良好(90>

18、x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)評(píng)分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)平時(shí)考核20學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)時(shí)間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項(xiàng)工作。學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)。學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計(jì)時(shí)間，按期完成各項(xiàng)工作。學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)。學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn),不能保證設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)度。課程設(shè)計(jì)報(bào)告報(bào)告內(nèi)容組織書寫20結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語言準(zhǔn)確，文字流暢，完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙非常工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰。結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范化要求；圖紙比較工整。內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文字表達(dá)不清，錯(cuò)別字較多，達(dá)不到規(guī)范化要求；圖紙不工整或不清晰。技術(shù)水平20設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信。設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，文獻(xiàn)引用、調(diào)