雙閉環(huán)直流電機調速——控制理論課程設計

1、智能0612009雙閉環(huán)直流電機調速控制理論課程設計刁義勇目錄課程設計任務書···········································

2、3;··············2一、設計目的··································

3、83;·························6二、基本思路·······················&#

4、183;····································6三、設計過程············&

5、#183;···············································6（一）電流環(huán)的設計

6、83;·················································

7、83;·61、電流環(huán)結構的簡化············································62、電流調節(jié)器類型選擇及參數(shù)計

8、算································73、校驗·················

9、·······································7（二）轉速環(huán)的設計·········&#

10、183;··········································81、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)·····

11、;·······························82、轉速調節(jié)器結構的選擇················

12、3;·······················83、轉速調節(jié)器參數(shù)的選擇························

13、83;···············94、校驗·································

14、3;······················9四、Matlab建模與仿真·························&#

15、183;···························10（一）仿真結果預計達到的要求···················

16、3;·····················10（二）動態(tài)結構圖（傳遞函數(shù)）的仿真·························

17、83;·········101、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構圖的搭接·····························102、傳遞函數(shù)中的參數(shù)設置······

18、·································103、動態(tài)結構圖仿真結果···············

19、;··························10（三）電機模型的仿真······················

20、;···························111、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)模型的搭接····················

21、;···········112、電機模型中的參數(shù)設置····································

22、83;··123、電機模型仿真結果及分析······································13參考資料······

23、··················································

24、·······14南京工程學院課程設計任務書課 程 名 稱 自動控制理論 院（系、部、中心） 電力工程學院 專 業(yè) 智能建筑電氣 班 級 智能061 起 止 日 期 2007年12月22日 至2008年1月4日 指 導 教 師 李先允 1課程設計應達到的目的通過課程設計，檢驗學生是否掌握自動控制的基本理論和系統(tǒng)設計方法，訓練學生設計控制系統(tǒng)和使用仿真軟件的能力。2課程設計題目及要求-直流電機的控制與調速（實物模型）圖 轉速、電流雙閉環(huán)調速原理圖圖示為轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖，為了使轉速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)

25、中設置了電流調節(jié)器ACR和轉速調節(jié)器ASR（均為PI調節(jié)器），其輸入輸出設有限幅電路。設計內容： 1對直流電機調速系統(tǒng)進行仿真建模； 2分別設計電流環(huán)與轉速環(huán)的PI控制器，控制電機的轉速，并利用MATLAB語言仿真，畫出轉速和電流的動態(tài)響應曲線；改變PI控制器的參數(shù)，討論對控制效果的影響； 3靜態(tài)指標：無靜差；動態(tài)指標：電流超調量i%5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量n%10%。3課程設計任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求設計任務： 1學習MATLAB語言中有關自動控制系統(tǒng)仿真的內容； 2對直流電機調速系統(tǒng)進行仿真建模； 3分別設計電流環(huán)與轉速環(huán)的PI控制器，控

26、制電機的轉速，并利用MATLAB語言仿真，畫出轉速和電流的動態(tài)響應曲線；改變PI控制器的參數(shù)，討論對控制效果的影響； 4靜態(tài)指標：無靜差；動態(tài)指標：電流超調量i%5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量n%10%。要求：1、 編寫設計報告2、 編制仿真程序3、 分析仿真結果4主要參考文獻1、 王劃一主編，自動控制原理M，北京：國防工業(yè)出版社，19812、 美Katsuhiko Ogata著，現(xiàn)代控制工程M，北京：電子工業(yè)出版社，20033、 趙文峰等編著，控制系統(tǒng)設計與仿真M，西安電子科技大學出版社，20024、 李先允主編.現(xiàn)代控制理論基礎M，北京：機械工業(yè)出版社，20075、 周淵深主編，交

27、直流調速系統(tǒng)與MATLAB仿真,北京：中國電力出版社，20075課程設計進度安排起 止 日 期工 作 內 容2007年12月22日23日12月24 日12月25日2008年12月26 日2009年1月1日1月2日布置任務，解釋題目，查閱資料數(shù)學建模仿真研究，編寫報告，答辯6成績考核辦法平時考核占10%；答辯占30%；報告質量占60%教研室審查意見：教研室主任簽字： 年 月 日院（系、部、中心）意見：主管領導簽字： 年 月 日一、設計目的1、了解雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的原理、組成及主要單元部件的功能；2、掌握雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的調試步驟、方法及參數(shù)設定；3、研究PI參數(shù)對電機調速的影響；4、

28、通過課程設計，加深和鞏固對直流調速及相關課程知識的理解和應用；5、掌握Matlab仿真軟件的使用方法。二、基本思路 設計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：先從內環(huán)開始設計和選擇調節(jié)器，每一閉環(huán)都將內環(huán)作為本環(huán)的一個環(huán)節(jié)來設計和選擇本環(huán)的調節(jié)器，直到設計完整個系統(tǒng)。這種結構為工程設計及調試工作帶來了極大的方便。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是多閉環(huán)控制系統(tǒng)中應用較廣的系統(tǒng)。先從電流環(huán)(內環(huán))開始,根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調節(jié)對象選擇調節(jié)器及其參數(shù)。然后，把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉速環(huán)的一個組成部分，再用同樣的方法完成轉速環(huán)設計。 圖1-雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖。圖1中設置了電流

29、濾波、轉速濾波和兩個給定濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流成分，需加低通濾波,其濾波時間常數(shù)Toi按需要而定。濾波信號可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延遲。所以在給定信號通道中加人一個給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號與反饋信號同步，并可使設計簡化。由測速發(fā)電動機得到的轉速反饋電壓含有電動機的換向紋波，因此也需要濾波,其時間常數(shù)用Ton表示。三、設計過程（一）電流環(huán)的設計電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)與晶閘管變流裝置、觸發(fā)裝置、電流檢測和反饋濾波等一些小慣性環(huán)節(jié)群組成。若要系統(tǒng)超調小、跟隨性能好為主，可校正成典型工型系統(tǒng)；若要具有較好的抗擾性能為主，則應選擇典型型系統(tǒng)

30、。一般情況下，當控制系統(tǒng)的兩個時間常數(shù)之比T1/Ti 10時，典型工型系統(tǒng)的恢復時間還是可以接受的,因此,多按典型工型系統(tǒng)設計電流環(huán)。1、 電流環(huán)結構的簡化圖的虛框中就是電流環(huán)的結構圖。實際系統(tǒng)中，電磁時間常數(shù)T1遠小于機電時間常數(shù)Tm，電流的調節(jié)過程往往比轉速的變化過程快得多，因而也比反電勢E快得多。E對電流環(huán)來說，是一個變化緩慢的擾動，可以認為E基本不變。忽略E的影響。使電流環(huán)的結構簡化。見圖2圖2-電流環(huán)結構化簡1再將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內，使電流環(huán)結構變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)。見圖3圖3-電流環(huán)結構化簡2最后考慮反饋濾波時間常數(shù)Toi和晶閘管變流裝置平均延遲時間常數(shù)Ts都

31、比T1小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，并取TjToi十Ts。電流環(huán)的結構圖最終簡化如圖4，可知電流環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)中具有兩個慣性環(huán)節(jié)。圖4-電流環(huán)結構化簡3 2、電流調節(jié)器類型選擇及參數(shù)計算按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán) 按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán)，調節(jié)器的類型應選擇PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wpi(s)=Kiis+1is取T1，電流環(huán)的結構圖為典型I型系統(tǒng)的型式，一般情況下，5%時，取Ki·Ti0.5 或0.707選擇調節(jié)器參數(shù)。電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為KI=KiKsiR=0.51TiKi=0.5RKs×T1TiKI=ci可以看出，按工程最佳參數(shù)設計電流環(huán)時，截止頻率ci與Ti的關

32、系滿足小慣性群的近似條件心d<<l/Ti。 3、校驗具體計算時必須檢驗以下條件：ci1/(3Ts)ci=31/(TmT1)ci131/(TsToi)（二）轉速環(huán)的設計 1、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)前面已指出，在設計轉速調節(jié)器時，應把已設計好的電流環(huán)看作是轉速環(huán)中節(jié)，因此，需求出電流環(huán)的閉環(huán)等效傳遞函數(shù)。電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)為例來介紹轉速環(huán)的設計，求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 轉速環(huán)的截止頻率cn一般較低，因此可得：由于KI=0.5/ Ti，故有：近似條件為：取整后可得：電流環(huán)本來是一個二階振蕩環(huán)節(jié)，其阻尼比0.707，無阻尼自然振蕩周期為1.414Ti，但是當轉速環(huán)截止頻率cn較低時

33、，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只有高頻段的一些差別。于是，電流環(huán)的近似等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中2Ti勺大小，隨調節(jié)器參數(shù)選擇方法不同要作相應的變化。2、 轉速調節(jié)器結構的選擇電流環(huán)用其等效傳遞函數(shù)代替后，整個轉速調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖5所示。圖5 轉速環(huán)結構圖同理，將其等效為單位負反饋的形式，即把給定濾波器和反饋濾波器等效地移到環(huán)內，且近似處理為小慣性環(huán)節(jié)TnTon2Ti則轉速環(huán)結構圖可以簡化成圖6所示。圖6-轉速環(huán)結構圖化簡可以看出，轉速環(huán)的控制對象是由一個積分環(huán)節(jié)和一個小慣性環(huán)節(jié)組成。根據(jù)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時無靜差和動態(tài)時有良好的抗擾性能兩項要求，在負載擾動點之前必須含有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)應該按典型型系統(tǒng)設計-實際系統(tǒng)的轉速調節(jié)器飽和特性會抑制典型型系統(tǒng)的階躍響應超調量大的問題。選用PI 調節(jié)器可把轉速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：WASR(s)=Knns+1ns式中 Kn一一轉速調節(jié)器的比例系數(shù)； n一一轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)