帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真 初始條件：1技術(shù)數(shù)據(jù) 直流電動(dòng)機(jī)：PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25堵轉(zhuǎn)電流 Idbl=2IN , 截止電流 Idcr=1.5IN ，GD2=3.53N.m2三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec=1. 3平波電抗器：RL=0. 3電樞回路總電阻 R=2.85 ，總電感 L=200mH , 2技術(shù)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差（靜差率s2%, 調(diào)速范圍 D10 ） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)穩(wěn)定要求完成的主要

2、任務(wù): 1技術(shù)要求： (1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作 (2) 根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并確定電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)， (3) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù) 2設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖 (2) 根據(jù)帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖, 分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流截止負(fù)反饋的作用, (3) 通過對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì), 得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過MATLAB來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參

3、數(shù)調(diào)節(jié)。 (4) 繪制帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖） (5) 整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書時(shí)間安排：課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周半，共分為三個(gè)階段：（1） 復(fù)習(xí)有關(guān)知識(shí)，查閱有關(guān)資料，確定設(shè)計(jì)方案。約占總時(shí)間的20%（2） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)要求，完成設(shè)計(jì)計(jì)算。約占總時(shí)間的40%（3） 完成設(shè)計(jì)和文檔整理。約占總時(shí)間的40%指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1主電路設(shè)計(jì)11.1變壓器的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)11.2主電路結(jié)構(gòu)選擇11.3晶閘管元件參數(shù)的計(jì)算21.4平波電抗器參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算21.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)22帶

4、電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路32.1閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)32.2帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)32.3調(diào)節(jié)器設(shè)定73參數(shù)計(jì)算與仿真83.1基本參數(shù)計(jì)算83.2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)93.3調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)103.4系統(tǒng)建模與仿真124總電氣圖195心得體會(huì)20參考文獻(xiàn)21摘要 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的在對(duì)調(diào)速精度要求不高的，大功率容量的電機(jī)中的應(yīng)用是非常廣泛的，它具有控制簡單方便，調(diào)速性能較好，設(shè)備成本低等的優(yōu)點(diǎn)。  本次設(shè)計(jì)是基于對(duì)組成調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)主要部分：主電路，包括主回路方案的確定、元器件的參數(shù)計(jì)算和選型、觸發(fā)電路和保護(hù)環(huán)節(jié)；控制電路，包括轉(zhuǎn)速負(fù)反

5、饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計(jì)算、電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計(jì)算，電流檢測(cè)環(huán)節(jié)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)的分析、參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)，并且用仿真波形通過MATLAB來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī) 電流截止負(fù)反饋 主電路 控制電路武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真 1主電路設(shè)計(jì)1.1變壓器的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì) 變壓器副邊電壓采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：已知，取，,則因此變壓器的變比近似為：一次側(cè)和二次側(cè)電流I1和I2的計(jì)算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A變壓器容量的計(jì)算S1=m1U1I1=3

6、×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA1.2主電路結(jié)構(gòu)選擇本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。1.3晶閘管元件參數(shù)的計(jì)算 晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓?？紤]到一定的裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受

7、峰值電壓的23倍，據(jù)有效值相等的原則，晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.52倍。在三相橋式全控整流電路中，帶純阻性負(fù)載時(shí)，晶閘管兩端承受的最小峰值為，帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流有效值I2是其輸出直流電流有效值Id的一半，而對(duì)于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流IVT=I，則在本設(shè)計(jì)中晶閘管的額定電流IVT(AV)=523-698A，晶閘管的額定電壓UN=311-466V。1.4平波電抗器參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)增加電機(jī)的發(fā)熱，同時(shí)也產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)機(jī)械產(chǎn)生不利，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，在本設(shè)計(jì)中采用設(shè)置平波電抗器的方法。，取般取為

8、電動(dòng)機(jī)額定電流的5%-10%,這里取10% 則:1.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)對(duì)于過電壓保護(hù)本設(shè)計(jì)采用RC過電壓抑制電路，該裝置置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流上。對(duì)于過電流保護(hù)本設(shè)計(jì)采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法來保護(hù)電路。2帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路2.1閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)將開環(huán)系統(tǒng)改為單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，并采用PI調(diào)節(jié)器，就既保證動(dòng)態(tài)性能，又能作到轉(zhuǎn)速的無靜差，較好的解決開環(huán)系統(tǒng)的不足，此閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理是：將直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化信號(hào)反饋到觸發(fā)環(huán)節(jié)，來自動(dòng)增大或減小觸發(fā)角來自動(dòng)調(diào)節(jié)整流輸出電壓Uds，即可達(dá)到穩(wěn)定,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.

9、1所示電源UUds電動(dòng)機(jī)觸發(fā)電路整流電路_轉(zhuǎn)速反饋 圖2.1 單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)框圖2.2帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)中存在一個(gè)問題，在啟動(dòng)、制動(dòng)過程和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電樞電流會(huì)過大。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。通過對(duì)電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析?？紤]到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減，采用電流截止負(fù)反饋的方法，則當(dāng)電流大到一定程

10、度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如圖2.2中的（a）(b)(c)圖： （a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓 （b） 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓（c）封鎖運(yùn)算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)圖2.2電流截止負(fù)反饋的環(huán)節(jié) 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。圖（b）中利用穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓Ubr作比較電壓，線路要簡單得多，但不能平滑的調(diào)節(jié)電流值。圖（c）是反饋環(huán)節(jié)與運(yùn)放的連接電路。由系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式： 當(dāng)時(shí)，引入電流負(fù)反饋，靜特性變?yōu)椋?靜特性的幾個(gè)特點(diǎn)：（1）電流負(fù)反饋的作用相

11、當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)態(tài)速大，特性急劇下垂。（2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致， 好像把理想空載轉(zhuǎn)速提高到 （3）兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在式（1）中，令 n = 0，得一般,因此（4）最大截止電流由給定條件知堵轉(zhuǎn)電流 Idbl=2IN =35A, 截止電流 Idcr=1.5IN=26.25A（5） 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及結(jié)構(gòu)圖如圖2.3及圖2.4KpKs1/CeRsRUfnUfiUgnIdRs-UbjnUcUnUdoUbj圖2.3帶電

12、流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2.4含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋原理圖2.3調(diào)節(jié)器設(shè)定 本次設(shè)計(jì)采用PI調(diào)節(jié)器即比例積分調(diào)節(jié)器既結(jié)構(gòu)圖用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)圖如下圖2.5 圖2.5 PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖 比例積分調(diào)節(jié)器的控制傳遞函數(shù)為： 式中 為PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)；為PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時(shí)Un =0，只要?dú)v史上有過Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓。 比例積分控制綜合了比例控制與積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，有克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)

13、長避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。而且比例積分的調(diào)節(jié)器還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3參數(shù)計(jì)算與仿真3.1基本參數(shù)計(jì)算（1） 額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為:(2）閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)：計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：開環(huán)系統(tǒng)額定速降為：閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為：(3）計(jì)算轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 設(shè)在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)時(shí)的給定電壓為，則須有 故轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)(4) 計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)運(yùn)算放大器放大系數(shù)為:(5)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算：由已知平波電抗器：RL=0. 3。電樞回路總電阻 R=2.85 ，總電感 L=200mH所以系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)

14、： 電磁時(shí)間常數(shù)Tl: 機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm: 晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)Ts:0.00167S計(jì)算出開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件為K98.67，又因?yàn)镵=122.48，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)M+- UdId RsVDUi Ucom接放大器M 如圖3.1.其工作原理是：利用獨(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)于可調(diào)截至（保護(hù)）電流值。當(dāng) 時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流截止負(fù)反饋信號(hào)加到放大器上去，從而使晶閘管系統(tǒng)輸出電壓減小，機(jī)械特性呈下垂特性；當(dāng)時(shí)，二極管截止，消失。由所給的技術(shù)參數(shù)值可。為了減小所產(chǎn)生的功耗，選擇為，可得。 圖3.1電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)圖3.

15、1電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 3.3調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)利用PI調(diào)節(jié)器來校正，原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：其中， ，由于因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積， 其所得伯德圖如圖3.2所示:圖3.2系統(tǒng)校正前bode圖PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù)K過大，截止頻率過高，應(yīng)該設(shè)法把他們壓下來。因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率處,令,使校正裝置的比例微分項(xiàng)與原始系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大慣性環(huán)節(jié)對(duì)消,從而選定。其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以的斜率穿越線，將原始的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性壓低，使校正以后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性的截止頻

16、率。這樣，在處，應(yīng)有根據(jù)以上兩點(diǎn)，校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)特性就可以確定下來了：取，為了使，取，在伯德圖上查得相應(yīng)的，因而因?yàn)?，所以 ，于是PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 最后選擇PI調(diào)節(jié)器的阻容參數(shù)，選取，則，取，取校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：校正后所得伯德圖如圖3.3所示： 圖3.3校正后bode圖 由圖3.3可以看出，校正后系統(tǒng)的幅值裕度和穩(wěn)定裕度都滿足穩(wěn)定的條件，但截至頻率變低，快速性被壓低，顯然這是一個(gè)穩(wěn)定的方案，最終能使系統(tǒng)穩(wěn)定。綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的類型和參數(shù)選擇是正確的，即選為PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)為，。3.4系統(tǒng)建模與仿真（1）單閉環(huán)直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖3.4單閉環(huán)直流系統(tǒng)仿真模型示波器的波

17、形：圖3.5單閉環(huán)直流系統(tǒng)仿真波形（2）加入PI調(diào)節(jié)器后仿真，經(jīng)調(diào)整系數(shù)后仿真圖3.6 PI調(diào)節(jié)器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型示波器波形：圖3.7 PI調(diào)節(jié)器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真波形（3） 加入電流截止負(fù)反饋后仿真： 圖3.8帶電流截止負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型示波器波形：圖3.9帶電流截止負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真波形加入負(fù)載后仿真:圖3.9加入負(fù)載后仿真模型示波器波形：圖3.10加入負(fù)載后仿真波形4總電氣圖圖4-1帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖5心得體會(huì) 本文主要對(duì)帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析并在MATLAB/SIMULINK 建立起仿真圖并進(jìn)行仿真。介紹了帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理, 完成了轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)并建立其原理框圖和仿真圖。將建立的仿真圖在MATLAB軟件里面仿真得出轉(zhuǎn)速與電流的波形。對(duì)波形進(jìn)行分析調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。本論文具有很強(qiáng)的理論與實(shí)際意義。  通過本次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對(duì)SIMULINK應(yīng)用知識(shí)的掌握，鞏固了我的專業(yè)課知識(shí)，對(duì)理論知識(shí)有了進(jìn)一步的理解，使自己受益匪淺?？傊ㄟ^本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。  課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課