自動控制原理課程設(shè)計

1、電子與電氣工程學院課程設(shè)計報告課程名稱自動控制原理設(shè)計題目晶閘管-直流電機調(diào)速系統(tǒng)所學專業(yè)名稱自動化班級自動化學號學生姓名指導教師2015年 月 日1/17電氣學院自動控制原理課程設(shè)計任 務 書設(shè)計名稱：晶閘管-直流電機調(diào)速系統(tǒng)學生姓名：指導教師：起止時間：自 2015年 12 月 13 日起 至2015 年 12 月 26 日止一、課程設(shè)計目的1 、通過課程設(shè)計進一步掌握自動控制原理課程的有關(guān)知識，加深對所學內(nèi)容的理解，提高解決實際問題的能力。2 、理解在自動控制系統(tǒng)中對不同的系統(tǒng)選用不同的校正方式，以保證得到最佳的系統(tǒng)。3 、理解相角裕度，穩(wěn)態(tài)誤差，剪切頻率等參數(shù)的含義。4 、學習 MAT

2、LAB 在自動控制中的應用，會利用 MATLAB 提供的函數(shù)求出所需要得到的實驗結(jié)果。5 、從總體上把握對系統(tǒng)進行校正的思路， 能夠?qū)⒗碚撨\用于實際。二、課程設(shè)計任務和基本要求設(shè)計任務： 晶閘管 -直流電機調(diào)速系統(tǒng)如圖所示（ksm10 ）1/171 、畫出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。2 、對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正，要求校正后的系統(tǒng)滿足指標：（1 ）相角穩(wěn)定裕度 Pm>40 o , 幅值穩(wěn)定裕度 Gm>13 。（2 ）在階躍信號作用下， 系統(tǒng)超調(diào)量 Mp<25% ，調(diào)節(jié)時間 Ts<0.15秒。3 、分別畫出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。4 、給出校正裝置的傳

3、遞函數(shù)。5 、分別畫出系統(tǒng)校正前、 后的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖， 并進行分析。6 、分別畫出系統(tǒng)校正前、后的的根軌跡圖。7 、在 SIMULINK 中建立系統(tǒng)的仿真模型， 在前向通道中分別接入飽和非線性環(huán)節(jié)和回環(huán)非線性環(huán)節(jié)， 觀察分析非線性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。8 、應用所學的知識分析校正器對系統(tǒng)性能的影響。基本要求：（1 ）、能用 MATLAB 解復雜的自動控制理論題目。（2 ）、能用 MATLAB 設(shè)計控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指標。（3 ）、能靈活應用MATLAB 分析系統(tǒng)的性能。2/17電氣學院自動控制原理課程設(shè)計指導老師評價表院（部）電氣學院年級專業(yè)自動化學生姓名學生學號題目晶閘管 -直

4、流電機調(diào)速系統(tǒng)一、 指導老師評語指導老師簽名：年月日二、 成績評定指導老師簽名：年月日3/17課程設(shè)計報告目錄摘要與關(guān)鍵詞 . .11 緒論 . .21.1直流調(diào)速系統(tǒng)的形成及發(fā)展概況.22 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性 . .32.1直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標 .32.2晶閘管電動機直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問題.33 設(shè)計過程 .43.1利用未校正系統(tǒng)的根軌跡圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性.43.2對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正 .53.3校正前后的校正裝置 .63.3.1校正裝置的傳遞函數(shù) .73.4系統(tǒng)校正前后開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖.73.5系統(tǒng)校正前后的根軌跡圖 .84 系統(tǒng)建模與仿真 .94.1在 SIMULINK中建立仿

5、真模型 .94.1.1未加環(huán)節(jié)時的 scope . .94.1.2加上飽和非線性環(huán)節(jié)分析.104.1.3加上回環(huán)非線性環(huán)節(jié)分析.11總結(jié) .12參考文獻 .12摘要與關(guān)鍵詞摘 要：該系統(tǒng)以可控硅三相橋式全控整流電路構(gòu)成系統(tǒng)的主電路，采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，本觸發(fā)電路分成三個基本環(huán)節(jié)：同步電壓形成、移相控制、脈沖形成和輸出。此外， 還有雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。同時考慮了保護電路和緩沖電路，通過參數(shù)計算對晶閘管進行了選型，也對直流電動機進行了簡單的介紹。關(guān)鍵詞： 可控整流晶閘管觸發(fā)電路緩沖電路保護電路1/171 緒論1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的形成及發(fā)展概況1904 年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子

6、流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開了電子技術(shù)之先河。 后來出現(xiàn)了水銀整流器， 它把水銀封于管內(nèi)， 利用對其蒸汽的電弧可對大電流進行控制， 其性能和晶閘管相似。 在 30 年代到 50 年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并大量應用的時期。 廣泛用于電化學工業(yè)、 電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機傳動，甚至用于直流輸電。這一時期， 整流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當一段時期內(nèi)，所使用的電路形式仍然是這些形式。在這一時期， 把交流變?yōu)橹绷鞯姆椒ǔy整流器外，還有更早的電動機- 直流發(fā)電機組，即變流機組。和旋轉(zhuǎn)變流機組相對應，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始而沿用至今。1

7、947 年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的革命。最先用于電力領(lǐng)域的半導體器件是硅二極管。晶閘管出現(xiàn)后， 由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)交流機組，并且其應用范圍也迅速擴大。電化學工業(yè)、 鐵道電氣機車、鋼鐵工業(yè)（軋鋼用電氣傳動、感應加熱等）、電力工業(yè)（直流輸電、無功補償?shù)龋┑难杆侔l(fā)展也有力地推動了晶閘管的進步。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。晶閘管是通過對門極的控制能夠?qū)⑵鋵ǘ荒苁蛊潢P(guān)斷的器件，因而屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式。機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20 世紀 60 年代以前

8、曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因此設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便。為了克服這些缺點，在 60 年代以后開始采用各種靜止式的變壓或變流裝置來替代旋轉(zhuǎn)變流機組。采用晶閘管或汞弧整流器的離子拖動系統(tǒng)是最早應用靜止式變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。 它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且還大大縮短了響應時間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價較高，維護麻煩，萬一水銀泄漏，將會污染環(huán)境，危害人身健康。1957年，晶閘管（俗稱可控硅整流元件，簡稱“可控硅”）問世，到了20 世紀 60 年代，已生產(chǎn)出

9、成套的晶閘管整流裝置， 逐步取代了旋轉(zhuǎn)變流機組和離子拖動變流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革。 通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 Ud ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 以上，其門極電流可以直接用電子控制，不再象直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級， 而晶閘管整流器是毫秒級，這將會大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。2/172 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)

10、的動態(tài)指標對于一個調(diào)速系統(tǒng)，電動機要不斷地處于啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速以及突然加減負載的過渡過程，此時，必須研究相關(guān)電機運行的動態(tài)指標，如穩(wěn)定性、快速性、動態(tài)誤差等。這對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率， 保證系統(tǒng)安全運行是很有意義的。 動態(tài)指標代表了系統(tǒng)發(fā)生過渡過程時的性能，動態(tài)指標分跟隨指標和抗擾動指標。（ 1）跟隨指標：系統(tǒng)對給定信號的動態(tài)響應性能，稱為“跟隨”性能，一般用最大超調(diào)量 ，超調(diào)時間 ts 和震蕩次數(shù) N 三個指標來衡量。最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動態(tài)精度，超調(diào)量越小，則說明系統(tǒng)的過渡過程進行得平穩(wěn)。（ 2）抗擾指標：對擾動量作用時的動態(tài)響應性能，稱為“抗擾”性能。一般用最大動態(tài)速降 n

11、max，恢復時間 tf 和振蕩次數(shù) N三個指標來衡量。2.2 晶閘管電動機直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問題晶閘管整流器也有它的缺點。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。 由半控整流電路構(gòu)成的 V-M系統(tǒng)只允許單象限運行， 全控整流電路可以實現(xiàn)有源逆變， 允許電動機工作在反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)， 因而能獲得二象限運行。 必須進行四象限運行時，只好采用正、反兩組全控整流電路，所用變流設(shè)備要增加一倍。閘管的另一dudi個問題是對過電壓、過電流和過高的dt 與 dt 都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短的時間內(nèi)損壞器件，因此必須有可靠的保護電路和符合要求的散熱條件，而且在選

12、擇器件時還應留有適當?shù)挠嗔俊，F(xiàn)代的晶閘管應用技術(shù)已經(jīng)成熟，只要器件質(zhì)量過關(guān)，裝置設(shè)計合理，保護電路齊備，晶閘管裝置的運行是十分可靠的。3 設(shè)計過程3.1畫出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定num=10;den=4.099e-007 0.0002695 0.01476 0.1925;axis equal;rlocus(num,den)；k,p=rlocfind(num,den)3/17isxAyarginamIR oot Locus10008006004002000-200-400-600-800-1000-1500-1000-5000500R eal AxisSelect a point

13、in the graphics windowz =Empty matrix: 0-by-1p =-598.6366-38.4242-20.4167k =2.4396e+007分析：從上圖中可以看出系統(tǒng)無零點，有三個極點，且都在虛軸的左半平面。可以知道系統(tǒng)穩(wěn)定。3.2 對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正（ 1）相角穩(wěn)定裕度Pm>40o ,幅值穩(wěn)定裕度Gm>13。（ 2）在階躍信號作用下，系統(tǒng)超調(diào)量Mp<25%，調(diào)節(jié)時間Ts<0.15 秒。從下圖可以看出未校正的伯德圖中可以看出；系統(tǒng)不滿足校正要求，輸入以下函數(shù)：n1=10;d1=4.099e-007 0.0002695 0.01476 0

14、.1925;sys1=tf(n1,d1);z,p,k=tf2zp(n1,d1);z1=z -1;p1=-598.6366 -38.4242 -20.4167 -170sys=zpk(z1,p1,k);w=logspace(-1,5);figure(1);bode(sys,w);margin(sys);figure(2);nyquist(sys);figure(3);rlocus(sys)grid on;4/17校正前的伯德圖：)Bd(edutingaMBode DiagramGm= -0.433 dB (at 190 rad/sec) , Pm = -0.825 deg (at 194 rad

15、/sec)500-50-100-1500)ged(esahP-90-180-270-101234510101010101010Frequency(rad/sec)校正后的伯德圖：)Bd(edutingaM)ged(esahPBode DiagramGm= 13.4 dB (at 383 rad/sec) , Pm = 51.5 deg (at 162 rad/sec)500-50-100-150900-90-180-270-2-10123451010101010101010Frequency (rad/sec)從上圖可以看出，校正后的伯德圖中，pm=51.5,gm=13.4, 通過計算可知其系

16、統(tǒng)超調(diào)量Mp=20%<25% ，調(diào)節(jié)時間Ts=0.8 秒<0.15 秒。滿足系統(tǒng)的要求。5/173.3 分別畫出校正前校正后和校正裝置的幅頻特性圖校正前的幅頻特性：sixAyranigamIN yquist Diagram403020100-10-20-30-40-100102030405060R eal Axis校正后的幅頻特性：sixAryanigamIN yquist Diagram3210-1-2-3-1-0.500.511.522.533.54R eal Axis6/17Nyquist Diagram10.80.60.40.2sixAyr0anigamI-0.2-0.4-

17、0.6-0.8-1-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Real Axis校正裝置的幅頻特性：給出校正裝置的傳遞函數(shù)：G（ s） =s+1/s+170;從第一個未校正的伯德圖中可以看到系統(tǒng)的指標不滿足要求，此時幅值裕度和相角裕度都偏小，考慮添加一個較小的零點，為-1 ，加上零點后，發(fā)現(xiàn)幅值裕度依然偏小，但是相交裕度滿足了要求，這時候再加上一個極點，經(jīng)過幾次的嘗試得到極點-170 可以滿足給定的幅值裕度。 此時滿足第一個性能指標，在經(jīng)過超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間的計算公式來計算相應的值，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)滿足指標超調(diào)量Mp=20%<25%，調(diào)節(jié)時間Ts=0.8 秒 <0.15

18、秒。3.4 分別畫出系統(tǒng)校正前、后的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進行分析sixAyranigamI校正前：Nyquist Diagram403020100-10-20-30-40-100102030405060Real Axis7/17Nyquist Diagram321sixAyr0anigamI-1-2-3-1-0.500.511.522.533.54Real Axis校正后：分析：由圖可以看出，校正前是繞（-1 ， 0j ） 1 圈，即R=1，由奈氏判據(jù)得，p=0 所以 Z 不等于 0，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。校正后的奈氏曲線未繞（ -1 ，0j ）點， R=0，則 Z 等于 0，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。3.

19、5 分別畫出系統(tǒng)校正前、后的的根軌跡圖。sixAyranigamI校正前：Root Locus10008006004002000-200-400-600-800-1000-1500-1000-5000500Real Axisn1=10;d1=4.099e-007 0.0002695 0.01476 0.1925;sys1=tf(n1,d1);z,p,k=tf2zp(n1,d1);z1=z -1;p1=-598.6366 -38.4242 -20.4167 -170sys=zpk(z1,p1,k);w=logspace(-1,5);figure(1);bode(sys,w);margin(sys

20、);figure(2);nyquist(sys);figure(3);rlocus(sys)grid on;8/17Root Locus15000.820.70.560.420.280.1410000.915000.975six031.75e+0031.5e+003 1.25e+0031e+003750500250Ay0ranigamI-5000.9750.91-10000.820.70.560.420.280.14-1500-2000-1500-1000-5000500Real Axis從以上的校正后的根軌跡圖可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定。4 系統(tǒng)建模與仿真4.1 在 SIMULINK中建立系統(tǒng)的仿真模型，在前向通道中分別接入飽和非線性環(huán)節(jié)和回環(huán)非線性環(huán)節(jié)， 觀察分析非線性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。這是未加環(huán)節(jié)時的scope：9/17加上飽和非線性環(huán)節(jié)：在下圖中加入的是saturation 模塊是限幅的飽和特性模塊，作用是對輸入信號進行限幅。加上回環(huán)非線性環(huán)節(jié)：下圖中加入的是backlash 模塊，是磁滯回環(huán)特性模塊10/1711/17總結(jié)為期兩周的自動控制原理課程設(shè)計做完了。通過這次課程設(shè)計，我對控制系統(tǒng)的校正有了更為深入的理解，但收獲最大的還是在做設(shè)計的過程中，對問題的分析和計算有了很大的提高，