單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與Matlab仿真資料

1、課題：一、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與Matlab 仿真（一）作者學(xué)號專業(yè)班級指導(dǎo)教師摘要在對調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)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(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié) 器的負(fù)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(shè)計一個實際的調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計首先進(jìn)行總體系統(tǒng)設(shè)計，然后確定各個參數(shù)，當(dāng)明確了系 統(tǒng)傳函之后，再進(jìn)行

2、穩(wěn)定性分析，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整定以達(dá)到 設(shè)計要求。另外，設(shè)計過程中還要以 Matlab 為工具，以求簡明直觀而方便 快捷的設(shè)計過程。摘 要：Matlab開環(huán)閉環(huán)負(fù)反饋 靜差 穩(wěn)定性V-M 系統(tǒng)目錄摘要 2 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 一、設(shè)計任務(wù)4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1、 已知條件4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2、設(shè)計要求4 HYPERLINK l bookmark14 o Curren

3、t Document 二、方案設(shè)計51、系統(tǒng)原理5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2、控制結(jié)構(gòu)圖6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 三、參數(shù)計算7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 四、PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計9五、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析11六、小結(jié)12 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 七、參考文獻(xiàn)13、設(shè)計任務(wù)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

4、參數(shù)： Pnom=2.2KW ， nnom=1500r/min ， Inom=12.5A, Unom=220V,電樞電阻Ra=1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.m2,測速發(fā)動機為永磁式，ZYS231/110 xi型，整流觸 發(fā)裝置的放大系數(shù)Ks=44，三相橋平均失控時間Ts=0.00167s。團(tuán)15-1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2、設(shè)計要求：生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍D=15靜差率sW5%，若 U*n=10V 時，n=nnom=1500r/min，校正后相角穩(wěn)定裕度 Y =45o,剪切頻率

5、3c$35.0rad/s，超調(diào)量。30%，調(diào)節(jié)時間tsW0.1s二、方案設(shè)計1、控制原理根據(jù)設(shè)計要求，所設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計如下的原理圖：圖 1 、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖電源圖 1 、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖電源給定速度 變換轉(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(dá)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，

6、更具體的原理圖如下：Ri04MTGa丘balRi04MTGa丘bal圖 2 、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具體原理圖2、控制結(jié)構(gòu)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(gòu)圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖 3 、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖同理，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(gòu)圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。 由所學(xué)的相關(guān)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)結(jié)構(gòu)框圖三、參數(shù)計算：根

7、據(jù)已知參數(shù)計算如下：1、為了滿足D=15, sW5%，額定負(fù)載時調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為:. n s1500 x 0.05. ._ _ ,.An 二 n -1 二 49.83 -1 二 48.83An5.26cl3、計算測速反饋系數(shù)：Un二k-AUnUn*-Un二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 = 9.8 =0.0065nnom 1500計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)KC48.83x 0.1383K =e = 23.6p a K0.0065 x 44實取錯誤!未找到引用源。K二23.6p按運算放大器參數(shù)，取錯誤!未找到引用源。 R

8、二 40 KG0錯誤!未找到引用源。R 二 K R 二 23.6x40KG = 945KG1 p 0反饋電壓U 二 n xa 二 1500 x0.0065V 二 9.75V nN6系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)Tl = L =營=0138S電機時間常數(shù)1.5 x 2.9T = Gdr =、；0s = 1.5 x 2.9m 375CCm 375 x 0.1383 x 30 x 0.1383兀對于三相橋式整流路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為T 二 0.00167 ss為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)的穩(wěn)定條件T(T + t ) + T 20.0635 x (0.0138 + 0.00167) +

9、0.001672TT0.0138 x 0.00167ls按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)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(shè)計由于閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，利用伯德圖設(shè)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W (s)二(T +1)(T T s2 +T s +1)sm l m由上已知 T 二0.00167s，T 二0.0138s，T 二0.0635s,在這里，T 4T，slmm l因此分母中的二次項T Ts2 + T s +1可分解成兩個一次項之積，即 m l mT Ts2 + T s +1 二 0.0008763s2 + 0.0635s +1 二(0.04

10、32s +1)(0.0203s +1) m l m則閉環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)取為e23.6 x 44 x 0.00650.1383e23.6 x 44 x 0.00650.1383是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是W(s)=48.8W(s)=(0.0432S + 1)(0.0203S +1)(0.0167 S +1)三個轉(zhuǎn)折頻率分別為：W1=1/T1=1/0.0432=23.1 s-1W2=1/T2=1/0.0203=49.3 s -1W3=1/T3=1/0.0167=600 s -1利用margin命令函數(shù)n1=0 48.8; d1=0.0432 1; s1=tf(n1,d1);n2=0 1;d2=

11、0.0203 1;s2=tf(n2,d2);n3=0 1;d3=0.00167 1;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的頻率特性如下圖w110-101w110-101101CI*1 0Freq uenc/ CradAsec)日口dE Qia gramGm = -4.17 dB (at 191 radJsee) . Pm = -7.-S deg (at 240 ra d/sec需巴 sses而 20lgK=20lg48.8=33.77dB因為相角裕度和增益裕度GM都是負(fù)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(chǔ)

12、上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為1K TS + 1W (s)=吐K piK Tspp TOC o 1-5 h z 333 33 220lgK 二 20lg 2 + 40lg ci 二 20lg 2( ci)2 二 20lg 丄333 3331 2 1 2 1 2所以 3 = ：K3 3 = *4&8 x 23.1 x 49.3s-i = 235.74s-icl %121取K t = T = 0.0432s,為了使3 = 49.3s-1,取3 = 40s-1,則L =-L = 30dBpi 1c 2Tc 2122KK23.6所以 20lg p = 30dB, p = 31.6，已知 K = 23.6,

13、所以 K = 0.75KKppi 31.6piPipi0.04320.75= 0.0576曰是，pi0.04320.75= 0.0576曰是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為W (s)=pi0.0432s +10.0576s最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的阻容參數(shù)。已知R0 = 40K0，則R 二 K R 二 0.75 x 40KG = 30K0,取R 二 3OK0, C = =5 二 1.44pF1 pi 011 R 400那么校正后的動態(tài)圖如下：O.DOI67ji-lOp址惻凋節(jié)器町推晡IZ2.92.91O.DOI67ji-lOp址惻凋節(jié)器町推晡IZ2.92.91廠(10出缶0J3S3屯機電相傳動裝置電勢乘數(shù)

14、陣遞函數(shù)輕遞函數(shù)0.0065五、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析由 Simulink 的動態(tài)模型繪制校正后系統(tǒng) Bode 圖 【A,B,C,D】=linmod(mx009B);S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);運行程序后繪制系統(tǒng)Bode圖如下：Bo-de DiagramGm = 23.3Bo-de DiagramGm = 23.3iB (al 1rad.B，ss匚卜,Prn = 4B.Z deg (at 34七 rad/sec)1G51G11G21Q31G5Frequency (rad/sec)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(yīng)曲線 【A,B,C,D】=linmod(mx009B);S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);運行程序后繪制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線如下六、心得體會經(jīng)過這次的課程設(shè)計，我學(xué)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(xué)合作的 過程中，我也充分體會到了團(tuán)結(jié)協(xié)作的重要性。完成了本次課程設(shè)計。 經(jīng)過這次課設(shè)，我學(xué)習(xí)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，