單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)_課程設(shè)計

1、目錄第一章概述2第二章調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標32.1 直流電動機工作原理42.2 電動機調(diào)速指標42.3 直流電動機的調(diào)速52.4 直流電機的機械特性5第三章單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)63.1 V-M系統(tǒng)簡介63.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性73.3 反饋控制規(guī)律83.4 主要部件93.5 穩(wěn)定條件113.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析12第四章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真144.1 參數(shù)設(shè)計144.2 參數(shù)計算及MATLAB115第五章 總結(jié)24參考文獻第一章 概述電動機是用來拖動某種生產(chǎn)機械的動力設(shè)備， 所以需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，而用于完成這項功能的自動控制系統(tǒng)就被陳為調(diào)速系統(tǒng)。 目前調(diào)速系統(tǒng)

2、分為交流調(diào)速和直流調(diào)速系統(tǒng)， 由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍廣、 靜差率小、 穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能， 因此在相當長的時間內(nèi)， 高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用直流調(diào)速系統(tǒng)， 但近年來， 隨著電子工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展， 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)也日趨廣泛。 單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用越來越廣泛， 其良好的調(diào)速性能及低廉的價格越來越被大眾接受。單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、電動機-發(fā)動機、 閉環(huán)控制系統(tǒng)等組成， 我們可以通過改變晶閘管的控制角來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速， 本 文就單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真做以下介紹。13第二章 調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標2.1 直流電動機工作原理一

3、、直流電機的構(gòu)成(1)定子：主磁極、換向磁極、機座、端蓋、電刷裝置； (2)轉(zhuǎn)子：電樞鐵芯、電樞繞組、換向裝置、風扇、轉(zhuǎn)軸;(3)氣隙二、直流電機的勵磁方式按勵磁方式的不同，直流電機可分為他勵、并勵、串勵 和復(fù)勵電動機四種。直流電動機中，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下， 電機拖動生產(chǎn)機械沿著與電磁轉(zhuǎn)矩相同的生產(chǎn)方向旋轉(zhuǎn)時， 電機向負載輸由機械功率。2.2 電動機調(diào)速指標穩(wěn)態(tài)指標：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進行 平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時能穩(wěn)定運行，而且在某 一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，盡量少受負載變化及電源電壓波動的 影響。因此它的指標就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率。動態(tài)性能指標：主要是平穩(wěn)性和抗干

4、擾能力。(1)調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械在額定負載時要求電動機提供的 最高轉(zhuǎn)速Nmax與最低轉(zhuǎn)速Nmin之比稱為調(diào)速范圍，用 示。即 D= -NmaxN min(2)靜差率：調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，負載由 理想空載增加到規(guī)定負載時，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 n與理想轉(zhuǎn)速n0之比，用s表示，即s= 100%=nn 100% n0n。(3)調(diào)速方向：指調(diào)速后轉(zhuǎn)速比原來的高還是低，有上調(diào)和 下調(diào)之分。(4)調(diào)速的平滑性：它由一定調(diào)速范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級 數(shù)來說明。調(diào)速可分為有級調(diào)速和無級調(diào)速。2.3 直流電動機的調(diào)速本文以他勵直流電動機為例來說明直流電機的調(diào)速，他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的

5、直流電源供電，在勵磁電壓Uf的作用下，勵磁繞組中通過勵磁電流If,從而產(chǎn)生磁通 。在電樞電壓Ua的作用下，電樞繞組中 通過電樞電流Ia。他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速公式：E U IR 11=CE CE式甲U為他勵電動機的電樞電壓；I為電樞電流；E為電樞 電動勢；R為電樞回路的總電阻；n為電機的轉(zhuǎn)速； 為勵磁 磁通；Ce為由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢系數(shù)。他勵電機的調(diào)速方式有三種：電樞回路串電阻的變電阻調(diào)速、 改變電樞電壓的變電壓調(diào)速、減小氣隙磁通量的弱磁調(diào)速。在實際應(yīng)用中，我們通常采用變電壓調(diào)速。2.4 直流電機的機械特性他勵直流電動機中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為n= RaT n0 n n0 T CE CECT

6、式中n0為電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為Uan0CT是機械特性的斜率，n是轉(zhuǎn)速差。他勵直流電機的固有特性曲線如圖所示:第三章單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)3.1 V M系統(tǒng)簡介晶閘管一電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），其簡單原理圖如下:圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相 或者更多相，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點：1、由于晶閘管的單相導(dǎo)電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。2、元件對過電壓、過電流以及過高的四和5都十分敏dt dt感，其中任意指標超過允許值都可能使元件在短時間內(nèi)損壞，

7、因此必須有保護裝置和散熱條件。3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如下:a、忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸生都是線性的。b、假定只工作在系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段。c、忽略直流電機和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié)：Un Un Un放大器：Uc Kp Un （ Kp-放大器的電壓放大系數(shù)）晶閘管整流與觸發(fā)裝置：Udo KsUc （ Ks-晶閘管整流與觸發(fā)置的電壓放大系數(shù)）V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性:Ud0 IdRC測速發(fā)電機：Utg n （-測速反饋系數(shù)，單位為 Vmin/r）因此轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式為KpKsUn IdRKpKsUnIdRn Ce

8、(1 KpKs /Ce)Ce(1 K) Ce(1 K)式中K KpKs /Ce為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以/ %作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。靜特性：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系畫由閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖所示3.3 反饋控制規(guī)律從上面分析可以看由，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)k對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，k值越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣，即k越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好，然而，設(shè)計的放大器為比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差 只能減小，但不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為nd WI，只有K 時其值為。，而這是不可能的。 Ce(1 K

9、)3.4 主要部件1、比例放大器：運算放大器用做比例放大器，圖為調(diào)節(jié)器的原理圖及輸出特性:Uin和5*為放大器的輸入和輸由電壓，Ref為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響，放大系數(shù)為KpUex昌UinR02、比例積分放大器在定性分析控制系統(tǒng)的性能時，通常將伯德圖分成高， 中，底三個頻段，頻段的界限是大致的，一般的調(diào)速系統(tǒng)要 求以穩(wěn)和準為主，對快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)器, 采用運算放大器的 PI調(diào)節(jié)器如圖所示.Ucs(s)Uin (s)1 KpiS 1K pissWpi(s)Kpi，-PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系數(shù);R0RoC-PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù);此傳遞函數(shù)也可以

10、寫成如下形式:1s 11s 1Wpi (s)-1-Kpi Js1s式中1 KpiR1C1-PI調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下,PI調(diào)節(jié)器輸由電壓的時間特性如圖所示將P調(diào)節(jié)器換成PI調(diào)節(jié)器,在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為Wpi (s)KpKpi s 1Kp s由圖可以看出比例積分的物理意義在突加輸入電壓時，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用，但是小于穩(wěn)定 性能指標所要求的比例放大系數(shù)。因為快速性被壓低了。換 來穩(wěn)定性的保證。作為控制器，比利積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速影響和消除靜差兩方面的要求：作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、額定勵磁下直流電動機Ud0 Rid L如E

11、（主電路、假定電流連續(xù)）dtE Cen（額定勵磁下的感應(yīng)電動勢）2.Te Tl里?生（牛頓力學(xué)定律，忽略粘性摩擦） 375 出Te Cmid （額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩）式中包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，單位為 Nm;GD2為電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2；Cm 30Ce為電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A定義下列時間常數(shù)：Tf -電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為 S； R2Tm El電力拖動機電時間常數(shù)，單位為 S； 375CeCm得電壓與電流間的傳遞函數(shù)：一"KUdo（s） E（s） IfS 1電流與電動勢間的傳遞函數(shù):E(s) R1d(S) I

12、df Tms額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖所示:3.5 穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為TmTfTs 3 Tm(Tf Ts) Tm Ts.s s 1穩(wěn)定條件為Tm(TfTs)?Tm TsTmTfTs01 K , 1 K 1 K整理后的2/ Tm(Tf Ts) Ts2 K TfTs上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，K值超由此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定，根據(jù)上面的分析可知，可能由現(xiàn)的系統(tǒng)的臨界放大 系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的放大系數(shù)要小，不能同時滿足穩(wěn)態(tài)性 能指標，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)裕度，為此必須設(shè)置合適的校正 裝置，才能達到要求。3.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1、比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例調(diào)節(jié)的閉環(huán)控

13、制有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為當Un 0時，之擾動輸入量Idl ，這時的輸由量即為負載擾動引起的轉(zhuǎn)速偏差n,其計算公式為:n iisms n iismRIdf(s)(TsS 1)(T1S 1)Ce-_ _2_(TsS 1)(TmTfSTmS 1) KIdiRCe(1 K)這和靜特性分析的結(jié)果完全一致o2、積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用積分調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為:29突加負載時Idi(s)同，于是sL.R于？ (TsS 1)(TiS 1)n(s)Cen(s) lim s n(s)s 0lim s 0=0可見積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的3、比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例積分控制的閉環(huán)系統(tǒng)的動

14、態(tài)結(jié)構(gòu)圖為則穩(wěn)態(tài)速差為:I R3? s(TsS 1)(TfS 1)Cen(s) lims n(s) lim2Ks 0s 0S(TsS 1)(TmTfSTmS 1) (K pi s 1)C e就其性能來說，比例控制是有靜差的，而積分控制和比 例積分控制都沒有靜差，所以只要調(diào)節(jié)器中有積分成分，系 統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動作用 點以前有積分環(huán)節(jié)，則外擾動不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。第四章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真4.1參數(shù)設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)對某直流拖動系統(tǒng)進行參數(shù)計算、建立其Matlab模型， 并進行穩(wěn)定性分析，根據(jù)系統(tǒng)要求用 Matlab軟件工具對系 統(tǒng)進行動態(tài)校正即作調(diào)節(jié)器設(shè)計

15、。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)）的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖所示：圖中直流電機的參數(shù)：Pnom=2.2KW, nnom=1500r/min , Jm=12.5A,Unom=220V,電樞電阻Ra=1 ,VM系統(tǒng)主回路總電阻 R=2.9 ,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 =1.5 N?m2,測速發(fā)動機為永磁式，ZYS231/110xi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 o二、設(shè)計要求生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍 D=15,靜差率s w 5%若U*n=10V 時，n=nnom=1500r/min,校正后相角穩(wěn)定裕度丫=

16、45。，剪切頻率3cA 35.0rad/s ，超調(diào)量30%調(diào)節(jié)時間ts <0.1s o 4.2參數(shù)計算及MATLAB!、穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算1、計算滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。(1)、額定磁通下的電機電動勢轉(zhuǎn)速比CeCeU nomI nom Rannom220 12.5 115000.1383(2)、滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降ncinnomsD(1 s)1500 0.0515(1 0.05)5.2632r/min(3)、開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降10 pnopI nom RCe12.5?2.90.1383262.1114r/min(4)、根據(jù)自動控制理論有n&

17、#176;p d 262.111448.8008-1=ncl 5.2632即滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)開 環(huán)放大系數(shù)K=48.80082、計算系統(tǒng)測速反饋系數(shù)nnom對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有靜差結(jié)構(gòu)圖如圖所示Un根據(jù)自動控制理論有如下方程組。K KpKs CeK? Un 式中：UnUn Un代入已知條件,Un48.8008? Un10 Un Un解次方程組得0.0065V ?min/ r Kt3、計算比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)ap根據(jù)自動控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K、測速反饋系數(shù)、電機電動勢轉(zhuǎn)速比Ce與放大系數(shù)Kp之間滿足關(guān)系代入計算得Kp 23.5984 p4、計算參數(shù)Ta與Tm。(1

18、)、電樞回路電磁時間常數(shù)TaLRL 40mH R 2.9 代入計算的 Ta 0.0138s2 、系統(tǒng)運動部分飛輪矩相應(yīng)的機電時間常數(shù)Tm黑Rm代入數(shù)據(jù)計算得Tm 0.0635s5、繪制帶參數(shù)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。下圖即為模型 mx1501.mdl,圖中此田=0.0065V.min/r.1In 11Out 16、計算閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)。根據(jù)自動控制理論的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 2 2為K Tm(Ta Ts) Ts ,其臨界開環(huán)放大系數(shù)Kcr Tm(Ta Ts) TsTaTsTaTsTm 0.0635；Ta 0.0138；Ts 0.00167代入計算得閉環(huán)系統(tǒng)

19、臨界開環(huán)放大系數(shù)為Kcr 42.7464。二、穩(wěn)定性分析1、 計算系統(tǒng)閉環(huán)特征根以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。a,b,c,d=linmod('smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sys1=zpk(s1);P=sys.den1;roots(P)程序運行結(jié)果ans =1.0e+002*-6.79440.0409 + 2.2377i0.0409 - 2.2377i經(jīng)過程序計算得系統(tǒng)的兩個特征根為0.0409 2.2377i、0.0409 2.2377i即閉環(huán)系統(tǒng)特征根有兩個根的實部為正，說明系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。2、 繪制比例調(diào)節(jié)器 Kp=20和Kp=21系

20、統(tǒng)的單位給定階躍響應(yīng)曲線以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。(1) 比例調(diào)節(jié)器Kp=20時，求閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)KoK KpK&otG根據(jù)，有>> syms Kp Ks Ce alpha;>> Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;> > K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運行結(jié)果K = 41.3594即Kp=20對應(yīng)著閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=41.3594(2)當Kp=20時，繪制其系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線。a,b,c,d=linmod('smx1501');> > s1=ss(a,b,c,d);&g

21、t; > sys=tf(s1);step(sys);0123456Time (sec)Step Responseo 。 o 。:>5 o 5 0 52211AaMrpmrt可見系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線呈現(xiàn)劇烈的震蕩，如上圖所示。(3)比例調(diào)節(jié)器 Kp=21時，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=43.4273程序如下syms Kp Ks Ce alpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/CeK =43.4273(4)當Kp=21時，繪制其單位階躍響應(yīng)曲線程序如下a,b,c,d=linmod('smx150T);s1=ss(a,b

22、,c,d);sys=tf(s1);step(sys);Tim e (sec)由曲線可看由，系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)定。3、分別以相角穩(wěn)定裕度與剪切頻率為校正主要指標對系統(tǒng)進行滯后校正。模型mx1501.mdl的開環(huán)模型為 mx1501A.mdl如下圖所示Out 1(1)、調(diào)用自編函數(shù)lagc ()設(shè)計PI校正器a,b,c,d=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);>> s2=tf(s1);>> gama=48;Gc=lagc(1,s2,gama)程序運行結(jié)果Transfer function:0.1611 s + 11.699 s + 1

23、wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)程序運行結(jié)果Transfer function:0.2857 s + 16.26 s + 1即以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的滯后校正器為r (、_o. 1611s + 1= 1.699S+1 ,而以剪切頻率為主要校正指標的滯0.28S7s + 1后校正器為GJS)= 6 26s + l o(2)驗算設(shè)計的校正器的校正結(jié)果。對以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的校正器為G 式 s)二0.1611s+ 1工699雪+ 1。程序如下a,b,c,d=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);>>

24、; gama=48;Gc=lagc(1,s2,gama);>> sys=s2*Gc;>>margin(sys)Bode DiagramGm = 18.5 dB (at 202 rad/sec) , P m = 47.7 deg (at 62.3 rad/sec)Frequency (rad/sec)繪制由系統(tǒng)的 Bode圖如上圖所示，從圖可以看由，校正后 系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度47.70 =4/,達到預(yù)期目的。對以剪切頻率為校正主要指標的校正器為尸,、0,2857s + 1G二丁血丁。程序如下：a,b,c,d=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)Transfer