直流电动机双闭环控制系统课程设计

1、课程设计题目:学 院专业年级 13自动化2班学生姓名庞超明 学号指导教师 吴诗贤 职称 讲师日 期2016-11-30目录摘要2一、设计任务 1、设计对象参数2、课程设计内容及要求 二、双闭环直流调速系统结构图 1、整流装置的选择2、建立双闭环调速系统原理结构图 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 2.2电流调节器结构的选择 2.3电流调节器参数的计算 3、转速环的设计13.1转速环结构框图3.2转速调节器结构的选择 3.3转速调节器的参数计算 10三、双闭环控制系统仿真 1、系统仿真模型2、动态，性能分析 四、总结16

2、参考文献 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

3、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=0.6Q时间常数：Tl=0.03s, Tm=0.2s反馈系数：a=0.007V/( r.min-1) , 3=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

4、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申级联结，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

5、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Idm 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 称申级

6、）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2.2 -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I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

7、是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I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 Ki 电流调节器的比例系数；i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 Ts。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间Ts 0.0017s o2） 电流滤波时间常数Toi。根据初始条件有Toi =0.002 So3） 电流环小时间常数之和 T i o按小时间

8、常数近似处理，取T，Ts T。，础37。S表1各种整流电路的失控时间(f 50HZ )整流电路形式最大失控时间Tsmax(mS)平均失控时间Ts(ms)单相半波2010单相桥式(全波)105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67(2)选择电流调节器结构根据书本设计要求i 5% ,并保证稳态电压无差，按典型I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：Ti/T i 0.03s. 0.0037=8.1811,1参照表2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数

9、的关系130参数关系KT阻尼比(3)计算电洒节筝参数电流调节器超'前时而常数：电流开环W湍：书疝妻求Z血u 5%广 丁是，AC雨任例燃为：0.5表3代际序客跟00037S0.39'0.80.251.0 '.003103s 0- '3,1 龄 KT1示禾1350|标与参数申必系0.50-21 0.7074 0_0.691.00.6-0.5超调里0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间L6.6 T4.7 T3.3 T2.4 T峰值时间tp8.3 T6.2 T4.7 T3.6 T相角稳定裕度76.3 069.9 065.559.2 051.8 0截止频率c0.2

10、43 /T0.367 /T0.455 /T0.569 /T0.786 /T(4)校验近似条件电流环截止频率： .K 135.1sCi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。, 1 一电流环小时间常数近彳如TT件3 满足近似条件。i i3 , TsToi3、转速环的设计J1 38.73s 1 ci. 0.2s 0.03s 11180.8s 3 0.0017s 0.002sci3.1转速环结构框图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WId(s)KI s(s 1)忽略敞厕WWF叫似Ki s(T is近似条件1)1T i

11、21ds s 1Ki KiWcii(s)为3.2转速调节器结构的选择式中cn 转速开环频率特性的截止频率。cn接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui (s),因此电流环在转速环中应等效成.1 ,一这样，原来是双惯性Ts)电游对象厂经闭环控制后，可以近似的等效成只 有较小时间常数1/Ki 筋部性环节。 T1Ks校正后成典型n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1/Ki .已取KiT i 0.5,B:转速滤波时间常数Ton .已知，Ton =0.02sC:转速环小时间常数T n(2) 选择转T调%结私 0.0074s 0.02s

12、 0.0274s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10V nN 0.007V min/ r按照跟随和抗扰性能的原则，取 h=5，则ASR勺超前时间常数为:转速开环增益：于是，ASR勺比例系数为（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 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MATLAS接键入simulin

13、k命令，打开Simulink模块浏览器窗口2）打开模型编辑窗口：选择 File New Model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

14、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 u/寸由静止状态起动时，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I、m三个阶段。第I阶段（0ti）是电流上升阶段。突加给定电压Un后，经过两个调节器的 跟随作用,Uc、Ud0、Id都跟着上升，

15、但是在Id没有达到负载电流IdL以前，电 动机还不能转动。当Id IdL后，电动机开始起动。由丁机电惯性的作用，转速不 会很快增长，因而转速调节器 ASR的输入偏差电压 Un Un Un的数值仍较大， 其输出电压保持限幅值Uim，强迫电枢电流Id迅速上升。直到Id I dm , Ui Uim , 电流调节器很快就压制了 Id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一股不饱和。第皿阶段（tit2）是包流升速阶段。在这个阶段中， ASR始终是饱和的，转 速环相当丁开环，系统成为包值电流给的 Uim下的电流调节系统，基本上保持电 流Id包定,因而系统的加

16、速度包定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电 动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了 克服这个扰动，Udo和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id包定。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 Ui U J必须维 持一定的包值，也就是说，Id应略小丁 Idm。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。第用阶段（t2以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值 n no时，转速 调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由丁积分作用还维持在限幅值 Uim, 所以电

17、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，Ui和Id很快下降。但是，只要Id仍大丁负载电流IdL,转速就 继续上升。直到Id IdL时，转矩Te Tl,则d"dt 0,转速n才到达峰值（t t3 时）。此后电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在t3t4时间内，Id IdL, 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Id尽快的跟随给定值 J ,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

18、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I、II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一一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 系统一一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