自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)資料

1、電子與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱自動(dòng)控制原理設(shè) 計(jì)題目 品閘管-直流電機(jī)調(diào)管系統(tǒng)所學(xué)專業(yè)名稱 自動(dòng)化班級(jí)自動(dòng)化學(xué)號(hào)學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師2015 年月曰電氣學(xué)院自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)名稱：品閘管-直流 電機(jī)調(diào)諫 系機(jī)學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：自2015 年12月13日起至 2015年12月26日止一、課程設(shè)計(jì)目的1、通過(guò)課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步掌握自動(dòng)控制原理課程的有關(guān)知識(shí)，加深 對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。2、理解在自動(dòng)控制系統(tǒng)中對(duì)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(xué)習(xí)MATLAB在自動(dòng)控制中的應(yīng)用，

2、會(huì)利用 MATLAB提供的函數(shù)求出所需要得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5、從總體上把握對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正的思路， 能夠?qū)⒗碚撨\(yùn)用于實(shí)際。二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求設(shè)計(jì)任務(wù)：晶閘管-直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示 （ksm10 ）后同營(yíng)豆責(zé)電機(jī)史速東式1 、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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正，要求校正后的系統(tǒng)滿足指標(biāo)：（ 1 ）相角穩(wěn)定裕度Pm>40 o , 幅值穩(wěn)定裕度Gm>13 。2 2） 在階躍信號(hào)作用下，系統(tǒng)超調(diào)量Mp<25% ， 調(diào)節(jié)時(shí)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、給出校正裝置的傳遞函數(shù)。5 、 分別畫出系統(tǒng)

3、校正前、后的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進(jìn)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(duì)系統(tǒng)性能的影響。8、應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)分析校正器對(duì)系統(tǒng)性能的影響。基本要求：（ 1 ） 、能用MATLAB 解復(fù)雜的自動(dòng)控制理論題目。（ 2 ） 、能用MATLAB 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指標(biāo)。（ 3 ） 、能靈活應(yīng)用MATLAB 分析系統(tǒng)的性能。電氣學(xué)院自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師評(píng)價(jià)表院（部）電氣學(xué)院年級(jí)專業(yè)自動(dòng)化學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)題 目晶閘管-直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一、指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)指

4、導(dǎo)老師簽名：年月日成績(jī)?cè)u(píng)定指導(dǎo)老師簽名:課程設(shè)計(jì)報(bào)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(dòng)態(tài)指標(biāo) 32.2 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題 33 設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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中建立仿真模型 94.1.1 未加環(huán)節(jié)時(shí)的scope 94.1.2 加上飽和

5、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(xiàn) 12自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)采用同步信號(hào)為鋸齒波 脈沖形成和輸出。通過(guò)參數(shù)計(jì)算對(duì)晶閘管進(jìn)保護(hù)電路摘要與關(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， 的觸發(fā)電路，本觸發(fā)電路分成三個(gè)基本環(huán)節(jié)：同步電壓形成、移相控制、 此外，還有雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。 同時(shí)考慮了保護(hù)電路和緩沖電路， 行了選型，也對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。關(guān)鍵詞：可控整流晶閘管觸發(fā)電路緩沖電路131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(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線電，從 而開了電子技術(shù)之先河。

6、 后來(lái)出現(xiàn)了水銀整流器， 它把水銀封于管內(nèi)， 利用對(duì)其蒸汽的電弧 可對(duì)大電流進(jìn)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(yīng)用的時(shí)期。廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)， 甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，整流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)， 所使用的電路形式仍然是這些形式。在這一時(shí)期，把交流變?yōu)橹绷鞯姆椒ǔy整流器外，還有更早的電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)組，即變流機(jī)組。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相對(duì)應(yīng)，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始而沿用至今。1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的革命。最先

7、用于電力 領(lǐng)域的半導(dǎo)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(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、鋼鐵工業(yè)（軋鋼用電氣傳動(dòng)、感應(yīng)加熱等）、電力工業(yè)（直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償?shù)龋┑难杆侔l(fā)展也有力地推動(dòng)了晶閘管的進(jìn)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(guò)對(duì)門極的控制能夠?qū)⑵鋵?dǎo)通而不能使其關(guān)斷的 器件，因而屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式。機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代以前曾廣泛地使用著， 但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)

8、的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多， 體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝須打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)， 在60年代以后開始采用各種靜止式的變壓或變流裝置來(lái)替代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。采用晶閘管或汞弧整流器的離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)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(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價(jià)較高，維護(hù)麻煩，萬(wàn)一水銀泄漏，將會(huì)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(jiǎn)稱“可控硅”）問(wèn)世，到了 20世紀(jì)60年代，已生產(chǎn) 出成套的晶閘管整流裝置， 逐步取代了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和離子拖動(dòng)變流裝置，使變流技術(shù)

9、產(chǎn)生了根本性的變革。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT的控制電壓Uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平 均整流電壓Ud ,從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整 流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。2品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)對(duì)于一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)要不斷地處于啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速以及突然加減負(fù)載的

10、過(guò)渡過(guò)程，此時(shí)，必須研究相關(guān)電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如穩(wěn)定性、快速性、動(dòng)態(tài)誤差等。這 對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行是很有意義的。動(dòng)態(tài)指標(biāo)代表了系統(tǒng)發(fā)生過(guò)渡過(guò)程時(shí)的性能，動(dòng)態(tài)指標(biāo)分跟隨指標(biāo)和抗擾動(dòng)指標(biāo)。(1)跟隨指標(biāo)：系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，稱為“跟隨”性能，一般用最大超調(diào)量 b,超調(diào)時(shí)間ts和震蕩次數(shù)N三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，超調(diào) 量越小，則說(shuō)明系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得平穩(wěn)。(2)抗擾指標(biāo)：對(duì)擾動(dòng)量作用時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，稱為“抗擾”性能。一般用最大動(dòng)態(tài)速 降A(chǔ) nmax,恢復(fù)時(shí)間tf和振蕩次數(shù)N三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。2.2 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題晶

11、閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)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(yùn)行，全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動(dòng)機(jī)工作在反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，因而能獲得二象限運(yùn)行。必須進(jìn)行四象限運(yùn)行時(shí)，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du di個(gè)問(wèn)題是對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dt與出 都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件， 因此必須有可靠的保護(hù)電路和符合要求的散熱條件，而且在選擇器件時(shí)還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?現(xiàn)代的晶閘管應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟， 只要器件質(zhì)量過(guò)關(guān)， 裝 置設(shè)計(jì)合理，保護(hù)電路齊備

12、，晶閘管裝置的運(yùn)行是十分可靠的。3設(shè)計(jì)過(guò)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)R oot LocusSelect a point in the graphics window z =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(wú)零點(diǎn)，有三個(gè)極點(diǎn)，且都在虛軸的左半平面?？梢灾老到y(tǒng) 穩(wěn)定。3

13、.2 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正(1)相角穩(wěn)定裕度 Pm>4Gb ,幅值穩(wěn)定裕度 Gm>13(2)在階躍信號(hào)作用下，系統(tǒng)超調(diào)量 Mp<25%調(diào)節(jié)時(shí)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 0.1925;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(

14、sys,w);margin(sys);figure(2);nyquist(sys);figure(3);rlocus(sys) grid on;校正刖的伯德圖:Bode DiagramGm = -0.433 dB (at 190 rad/sec) , Pm = -0.825 deg (at 194 rad/sec)-2701010 010 110 210Frequency (rad/sec)10 410校正后的伯德圖:50-15090Bode D iagramGm = 13.4 dB (at 383 rad/sec) , Pm = 51.5 deg (at 162 rad/sec)0-50-1

15、000-90-180Frequency (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(guò)計(jì)算可知其系統(tǒng)超調(diào)量Mp=20%<25% ,調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=0.8秒<0.15秒。滿足系統(tǒng)的要求。3.3 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：40Nyquist D iagram校正后的幅頻特性:N yquist D iagram校正裝置的幅頻特性:-0.2Nyquist Diagram0.80.60.40.20-0.4-0.6-0.8-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Real Axis3.3.1 給出校

16、正裝置的傳遞函數(shù)：G (s) =s+1/s+170;從第一個(gè)未校正的伯德圖中可以看到系統(tǒng)的指標(biāo)不滿足要求，此時(shí)幅值裕度和相角裕度都偏小，考慮添加一個(gè)較小的零點(diǎn)，為 -1 ,加上零點(diǎn)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(shí)候再加上一個(gè)極點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾次的嘗試得到極點(diǎn)-170可以滿足給定的幅值裕度。此時(shí)滿足第一個(gè)性能指標(biāo)，在經(jīng)過(guò)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算相應(yīng)的值，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)滿足指標(biāo)超調(diào)量Mp=20%<25%調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=0.8秒<0.15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(jìn)行分析40-40-10302010Nyquist Diagram0-10

17、-20-30102030Real Axis405060W5n.oa.校正前:Nyquist Diagram3Real 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(diǎn)，R=0,則Z等于0,閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。3.5 分別畫出系統(tǒng)校正前、后的的根軌跡圖Root LocusReal Axis校正前:n1=10;d1=4.099e-007 0.0002695 0.01476 0.1925;sys1=tf(n1,d1);z,p,k=tf2zp(n1,d1);z1=z -1;p

18、1=-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;1500-15000.82'0.70.560.420.280.140.91-0.9755e+0031.5e+003 1.25e+0031e+003750500250J軌J 工0.9750.910.820.70.560.420.280.14irrRoot Locus1000500037

19、 0-500-1000-2000-1500-1000-5000500Real 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(duì)系統(tǒng)性能的影響。4.1.1 這是未加環(huán)節(jié)時(shí)的scope：5,31n11U-11口得I4|T2rI?L田田TiTimeofTsel： |04.1.2 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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅。100TrarsiirFcnTime 104.1.3 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)特性模塊總結(jié)為期兩周的自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)做完了。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)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(jì)的過(guò)程中，