直流电动机双闭环控制系统课程设计.doc

课程设计题目： 直流电动机双闭环控制系统 学院 计算机科学与信息工程 专业年级 13自动化2班 学生姓名 庞超明 学号 2013133231 指导教师 吴诗贤 职称 讲师 日 期 2016-11-30 目录摘要2一、设计任务31、设计对象参数32、课程设计内容及要求3二、双闭环直流调速系统结构图41、整流装置的选择42、建立双闭环调速系统原理结构图4三、电流环和转速环的工程设计51、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图52、电流环设计62.1电流环结构框图62.2电流调节器结构的选择62.3电流调节器参数的计算73、转速环的设计93.1转速环结构框图93.2转速调节器结构的选择93.3转速调节器的参数计算10三、双闭环控制系统仿真111、系统仿真模型112、动态性能分析14四、总结16参考文献17摘要本设计通过分析直流电动机双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。最后用MATLAB软件中的Simulink模块对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。关键词： 直流电动机双闭环MATLAB/Simulink仿真一、设计任务1、设计对象参数系统中采用三相桥式晶闸管整流装置；基本参数如下：直流电动机：220V，136A，1500r/min，Ce=0.15V/( r.min-1)，允许过载倍数1.5。晶闸管装置：Ks=50电枢回路总电阻：R=0.6时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.2s反馈系数：=0.007V/( r.min-1) ，=0.05V/A反馈滤波时间常数：oi=0.002s，on=0.002s2、课程设计内容及要求2.1建立双闭环调速系统的模型；绘出结构图。2.2电流环和转速环的工程设计。2.3利用Simulink建立仿真模型（须有较为详细的建模过程说明），并分析系统的动态性能。2.4调试分析过程及结果描述。列出主要问题的出错现象、出错原因、解决方法及效果等；2.5总结。包括课程设计过程中的学习体会与收获等内容。二、双闭环直流调速系统结构图1、整流装置的选择转速调节器与电流调节器串级联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制三相桥式晶闸管整流装置。目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示。图1 三相桥式全控晶闸管整流装置2、建立双闭环调速系统原理结构图转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求了。 理想快速启动过程电流和转速为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图2所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图2 直流电动机双闭环控制系统的原理结构图三、电流环和转速环的工程设计1、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图2、电流环设计 2.1 电流环结构框图 图3 2.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图3可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成：式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构框图便成图4所示的典型形式，其中：图42.3电流调节器参数的计算 （1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间。2）电流滤波时间常数。根据初始条件有=0.002 s。3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取0.0037。表1各种整流电路的失控时间（）整流电路形式最大失控时间平均失控时间单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.67 （2）选择电流调节器结构根据书本设计要求，并保证稳态电压无差，按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：检查对电源电压的抗扰性能：37=8.11，参照表2的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：0.03s。电流开环增益：书本要求时，按表3，取，因此于是，ACR的比例系数为：表3典型型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.64.73.32.4峰值时间8.36.24.73.6相角稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率0.2430.3670.4550.5690.786 （4）校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。3、转速环的设计 3.1转速环结构框图3.2转速调节器结构的选择电流环经简化后可视作转速环的一个环节，电流环的闭环传递函数为忽略高次项，可降阶近似为近似条件式中 转速开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效成这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 校正后成典型型系统的转速环的动态结构框图如下3.3 转速调节器的参数计算（1）确定时间常数A:电流环等效时间常数.已取，B:转速滤波时间常数.已知，=0.02sC:转速环小时间常数 （2）选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为（3）计算转速调节器参数转速反馈系数按照跟随和抗扰性能的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：转速开环增益：于是，ASR的比例系数为 (4) 检验近似条件 转速环截止频率为1） 电流环传递函数简化条件为 2） 转速环小时间常数近似处理条件为 三、双闭环控制系统仿真1、系统仿真模型本设计运用MATLAB的Simulink来对系统进行模拟仿真。根据直流双闭环调速系统的实际动态结构框图以及上面计算出的系统参数，可以建立直流双闭环调速系统的动态仿真模型（1） 建模过程说明1） 进入MATLAB直接键入simulink命令，打开Simulink模块浏览器窗口2） 打开模型编辑窗口：选择FileNewModel菜单项实现3） 复制相关模块进入模型编辑窗口：将Source组中的Step（阶跃输入）模块、Math Operations组中的Sum（加法器）和Gain（增益）模块、Continuous组中的Transfer Fcn（控制器）和Integrator（积分）模块、Sinks组中的Scope（示波器）等加入编辑窗口，如下图：4） 模块链接,如下图5）修改模块参数：双击各模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块参数。详见教材P51-P54.各模块参数修改见下图：（2） 电流环动态仿真模型及仿真曲线1）电流环动态仿真模型：2）电流仿真曲线：系统运行，得到系统电流仿真曲线（3） 双闭环直流调速系统动态仿真模型及仿真曲线1）双闭环直流调速系统动态仿真模型： 2）双闭环直流调速系统仿真曲线系统运行，得到双闭环直流调速系统仿真曲线2、动态性能分析双闭环直流调速系统突加给定电压时由静止状态起动时，转速和电流的动态过程图如上图所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成了图中标明的、三个阶段。第阶段（）是电流上升阶段。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、都跟着上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动。当后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第阶段（）是恒流升速阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为恒值电流给的下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。ACR采用PI调节器时，为了使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略小于。此外，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和，电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地。第阶段（以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则，转速才到达峰值（时）。此后电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，直到稳定。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快的跟随给定值，即电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，直流双闭环调速系统的起动过程的特点是：1）饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单的用线性控制理论来分析整个起动过程。2）转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。3）准时间最优控制。在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动过程还有一些差距，不过这两个阶段只占全部起动时间中的很小一部分，可称作“准时间最优控制”。四、总结本次课程设计是电力拖动自动控制系统运动控制系统这门课的一次课程设计，主要目标是设计一个符合要求参数的直流双闭环调速系统。电力拖动自动控制系统运动控制系统这门课是我们自动化专业的一门综合性非常强的课程，它综合了之前学习过的模拟电子技术、自动控制原理、电力电子技术及电机拖动技术等课程的很多知识点，所以，本次课程设计也是对以前课程的一次梳理和升华。本次课程设计我受益良多，本课程设计的要点是设计转速和电流调节器，通过查阅大量的书籍专业网站、论坛的方式，找寻所需资料，反复比对研究有关资料，最后按照调节器的工程设计方法的基本思路，简化问题，突出主要矛盾。先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。先设计内环电流调节器，然后把电流环看作转速调节器的一个环节，再设计转速调节器，完成设计要求。在此过程中，我进一步深化了对这门课程课本所学知识的理解，通过实际设计系统，锻炼了我应用理论知识解决实际问题的能力，是对我综合素质的一次提高。参考文献1 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统. 北京：机械工业出版社，20092 李国勇等. 计算机仿真技术与CAD. 北京：电子工业出版社，20083 王正林等. MATLAB/Simulink与控制系统仿真，电子工业出版社，20124 涂植英等.自动控制原理.重庆大学出版社,20055 黄文梅等. 系统仿真分析与设计. 湖南：国防科技大学出版社，2001直流电动机双闭环控制系统（组员分工表）（组长）庞超明双闭环调节器的工程设计及系统仿真刘翔宇双闭环系统各组成部分电路方案设计何嘉诚双闭环调速系统的模型及结构图设计黄程双闭环系统动态性能分析