运动控制系统综合课程设计

革方噤萦大事控制系统综合课设计指导老师：年级专业_姓名学号54962013年12月27日题目及要求设计题目：直流调速系统计算机仿真设计内容(指标及参数)：(1) 静态精度(转差率S),在电网电压波动10%，负载变化20%，频率 变化1HZ时，S5%,电流和转速超调量。10%,振荡次数N10 15；(2) 电动机数据:额定电流136A，额定电压230V，功率30KW, 额 定转速1460转/分，电势转速比C =0.132,电枢电阻Rq=0.5Q,过载系数人=1.5,e ,可控硅整流装置KS=40. TL=0.03s，T =0.18s ；(3) 测速发电机，永磁式，额定数据为：电压110V，电流0.045A，转 速 1900r/min，p =23.1W,I =0.21A,n =1900r/min。1前言02系统的组成及工作原理03转速调节器和电流调节器的参数设计13.1静态计算13.2动态计算13.2.1电流调节器（内环）动态参数计算13.2.2转速调节器（外环）动态参数计算44系统仿真和分析64.1系统仿真模型的搭建及仿真64.2仿真调试分析75结论7参考文献81刖言直流调速系统是传统的调速系统，自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传 动所用电动机一直以直流电动机为唯一方式。它具有稳速精度高、调速比大、响应时间 短等特点，宜于在广泛范围内平滑调速，故广泛应用于轧钢、机床、轻工、计算机、飞 机传动机构等领域。近年来，交流调速系统发展很快，被科学技术水平较高的西方国家所广泛采用，与 直流调速相比，交流调速有本身固有的优点：结构简单、坚固耐用、经济可靠及小动态 相应性能好等，还能实现高速拖动。但由于直流拖动系统在理论上和时间上都比较成熟， 具有良好的起、制动性能，从反馈闭环控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖 动控制系统的基础，所以我们应该很好的掌握直流拖动控制系统。但是直流调速系统的设计是一个庞大的系统工程。对于一个经过大量分析、计算、 设计、安装等一系列工作的系统究竟能否一次性调试成功，这关系到已经投入的大量人 力、财力、物力是否会浪费的问题。因此，一个直流调速系统在正式投入运行前，往往 要进行仿真调试。利用Matlab/Simulink仿真工具有效地对直流调速系统进行参数调试， 可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广 泛流行的工程仿真技术。本文利用Matlab仿真工具对直流调速系统进行仿真分析，通过 仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数，仿真结果可以用来 指导实际系统的设计。2系统的组成及工作原理转速、电流双闭环调速系统由速度调节器ASR、电流调节器ACR、电力电子控制单 元GT、PWM可调电压单元V、电感器L、直流电机M和速度检测单元TG组成。其原 理框图如图1所示，动态框图如图2所示。图1转速、电流双闭环调速系统原理框图图2转速、电流双闭环调速系统原理框图动态框图其中，ASR为转速调节器环节；ACR为电流调节器环节；为电力电子变换装 Ts+1S置所表示的惯性环节； 必，三，土为直流电机环节；a为转速反馈系数；&为电流 T+1 T s C反馈系数。工作原理如下（班华，李长有，2012）:电动机的转速由给定电压Un*决定，速度调 节器ASR的输入偏差电压为 U= Un*- Un，转速调节器ASR的输出电压U.*错误!未找到 引用源。作为电流调节器ACR的给定信号（其输出的限幅值Uim*错误!未找到引用源。 决定了电流调节器给定电压的最大值），电流调节器ACR的输入偏差信号为U= U- Uj 错误!未找到引用源。，ACR的输出电压Uct错误!未找到引用源。作为电力电子触发电路 GT的控制电压（其输出的限幅值Uctm决定了晶闸管整流输出电压的最大值），直接控制 可调电压单元V。改变控制电压Uct就能改变触发器控制角a及整流输出电压Uod，相应 地也就改变了电动机的转速，达到调速的目的。3转速调节器和电流调节器的参数设计3.1静态计算根据调速范围和静差率的要求得到;An = 1460 x 竺=7.33r/minD(1 - s)10(1 - 0.05)取测速反馈输出电压为10V,则转速反馈系数：已=% =工=0.007，ASR调节器饱n 1460U*10和输出取12V，系统输出最大电流为Id =2七，则电流反馈系数：。=! = 2*136=0.037，dm取 0.05。3.2动态计算3.2.1电流调节器（内环）动态参数计算（1）电流环结构的简化。由于电流的响应过程比转速响应过程快得多，因此假定在 电流调节过程中，转速来不及变化，从而不考虑反电动势E的影响，所以反电势的反馈支路相当于断开，再把反馈环节等效地移到环内。因为T和T 一般比T小得多，可作小 s oi1惯性环节处理，故取T=T+T。其中简化条件满足扰动作用下的闭环传递函数： s oi2*h2*T2AC( s-T- *K 2* s *(T * s+DN (，确2* h 22*h() * T 3* S 3 + * T 2* S 2 + h * T * S +1h +1h +1电流环结构图最后简化为如图3所示。图3电流环的动态结构简化图（2）电流调节器的选择（高金源，夏洁，2007）。对于经常起制动的生产机械，希 望电流环跟随性能好，起超调量越小越好。在这种情况下，应该选择典型I型系统设计 电流环。如果生产机械工作环境的电网电压波动较大，希望电流环有较强的抗电网电压 扰动能力。从这个观点出发，电流环应该采用典型II型系统设计电流环。另外，电流环 中两个时间常数之比，也可决定选择方案。在这里选用典型I型系统进行电流环的设计。图3表明电流调节ACR的调节对象是双惯性环节，为了把电流环校正成典型I型 系统，ACR函数必须是PI调节器形式。其传递函数为W （S）=K * Ti*S+1acr， i T *S为了消去控制对象的大惯性时间常数的极点，选择七=T1，则电流环的动态结构图简 化为如图4所示。图4校正成典型I型系统的电流环比较典型的二阶开环传递函数，得Kj=K，J =T。其中，.空，i t *R（3）电流调节器参数选择（胡寿松，2003）。电流调节器参数是Ki和t.。现在已选定t =T，而t取决于所需的和动态性能指标。所以三相桥式整流电路平均失控时间：i 1iciT=0.0017s，电流滤波时间常数：T.=0.002s。电流环小时间常数：丁& = T + Tol= 0.0037ACR 时间常数：L = Ti = J。3,又因 q % 5%，取 k = ：501=135.1i 0.0037K= K L = 135.1x0005 = 1.013ACR的比例系数为：1叫05 x 40，Li=K广135.1（4）实际电路的参数计算。根据以上的数据，计算模拟的电子电路实际电路的电器 元件的参数如下取：R0=40KO，R.=KR0=1.213?20=24.26KQ，取 40KO ；c =匕=_。旦=0.75 RFiRj40000，取 0.75rF ；c = % = 4002 = 0.2oR040000，取 0.2RF。则实际电路图如图5所示。其中：D1,D2,W1,W2构成限幅电路。图5电流环原理图3.2.2转速调节器(外环)动态参数计算(1) 转速环的闭环传递函数。在设计转速环时，把设计好的电流环作为转速调节器 的调节对象的一部分，所以电流环的传递函数为二 K(s *气+=ic11 + KJ(S *(T. * S +1) (T打K* S + S/K +1转速环的截止频率气n较低，因此电流闭环传递函数可降阶近似处理，即的输入信号为U*/0，在这里考虑设计成K*如0.5，则W (S)=1，由于图w(1,.Kj)*S+1电流环等效闭环传递函数i简化后的转速环动态结构图如图6所示。1 82* J *S +1图6 转速环的动态结构图(2) 转速环的简化即调节器的选择。因为调速系统首先需要有较好的抗扰动性能，所以采用抗扰能力强的典型II型系统 设计转速调节器。要把转速环校正为典型II型系统，ASR应该采用PI型，其传递函数为 Wasr(S)=K工， n T *S调速系统的开环传递函数为W ) _ K * a * R *(t * S +1)_ K *(L * S +1)n t * B 豪C * T * S ；*(T * S +1) - S 2N*(Tn * S +1)ne mXnXn式中，KNK *a*Rt *Bn*C *T。(3) 确定时间常数：电流环等效时间常数为2孔广0.0074s，转速滤波时间常数为取为T = 0.01s转速环小时间常数T =2T +T =0.0174 sEnEi on(4) 转速调节器参数的选择根据性能指标选取h=5,ASR 的超前时间常数 T n= hTXn = 5 X 0.0174 = 0.087 SK = 396.4转速环开环增益村2h气2 X 25 X 0.0174ASR的比例系数为:k _ (h +1)PC T _ 6 x 0.05 x 0.132 x 0.18 _ 11 7n 2haRTC m 2 x 5 x 0.007 x 0.5 x 0.0174 Xn转速截止频率*Kn _ K t = 396.4 x 0.087 _ 34.51(5) 实际电路的参数计算。根据以上的数据，计算模拟的电子电路实际电路的电器元件的参数如下:取 R0=20K QR =KnR0=11.7X 40=468,取 70K。，Cn =Tn/ Rn =0.087/470=0.185 旦 F,取 0.2 旦 F，Con=4Ton/R0=4 X 0.01/40=1 旦 F.取 1 旦 F。实际原理图如图7所示。通过计算，最后得出系统动态框图，如图8所示。图7转速调节器原理图图8直流电动机双闭环调速系统的动态结构图4系统仿真和分析4.1系统仿真模型的搭建及仿真由图8的直流电动机双闭环调速系统的动态结构图在Matlab/Simulink仿真平台上可 搭建出仿真框图，如图9所示。当在电网电压波动10%，负载变化土20%，频率变化 1HZ时，仿真结果如图10所示。图9 直流电机双闭环调速系统的仿真系统框图图10直流电机双闭环调速系统转速仿真波形从图10中可知，静态精度S=1460 -1428.61460x100%=2.2%5%转速超调量1942.8 -1428.6 b =1428.6x100%=36.0%，转速超调量过大，系统相对稳定性弱；整个起动过程只需0.7s，系统的快速性较好。4.2仿真调试分析通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差 距。因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理， 如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真 调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标， 找出最佳参数为：K =0.8，t =0.02，K =8，t =0.4。调整后的仿真波形如图11所示。iinn图11调整后的转速仿真波形从图11中可知，调整转速和电流调节器参数后，静态精度S仍为2.2%5%,转速超1494.5 -1428.61428.6x100%=4.6%10%，静态精度和超调量符合设计要求。整个起动过程约为0.6秒，系统的快速性仍较好。另外，本系统还具有良好的抗负载扰动和电源扰 动的能力。5结论以上分析表明，该系统仿真符合设计要求。利用Matlab/Simulink仿真平台对直流调 速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确 地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器 参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流 调速系统的设计与调试中得到广泛应用。参考文献班华.运动控制系统M.李长有.北京：电子工业出版社，2012： 98-99.高金源.计算机控制系统M.夏洁.北京：清华大学出版社，2007： 167-168.胡寿松.自动控制原理简明教程M.北京：科学出版社，2003： 207-215.