单闭环无静差直流调速系统的时域分析

1、邢台学院物理系自动控制理论课程设计报告书 设计题目： 单闭环无静差直流调速系统的时域分析 专 业： 自动化 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师： 2013年 3 月 24 日邢台学院物理系课程设计任务书专业： 自动化 班级： 学生姓名学号课程名称自动控制理论设计题目单闭环无静差直流调速系统的时域分析设计目的、主要内容（参数、方法）及要求直流调速系统各部分原理简介及传递函数建模分析单闭环直流调速系统的性能并对其进行时域分析基于MATLAB的时域分析工作量2周进度安排3月11日至3月13日，准备资料；3月13日至3月22日，编写；3月23日至3月24日，制图。主要参考资料1 谢红卫. 现代控

2、制系统. 高等教育出版社，20072 黄坚. 自动控制原理. 高等教育出版社，20033 黄忠霖. 自动控制原理的MATLAB实现. 国防工业出版社，2007 4 陈伯时. 电力拖动自动控制. 北京：机械工业出版社，20085 梁虹，普园媛，梁洁.信号与线性系统分析M. 高等教育出版社，2006指导教师签字系主任签字 年 月 日摘 要单闭环无静差直流调速系统是把转速作为系统的被调节量，通过对给定电压的控制来实现对电动机转速控制的调速系统。它能够检测误差，纠正误差，有效地解决调速范围与静差率的矛盾，抑制消除扰动造成的影响，并且采用了比例积分调节器，从而实现了无静差调速。由于其优良的调速性能，在工

3、农业生产中获得了广泛的应用，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。本次课程设计以单闭环无静差直流调速系统为例，研究控制系统的性能，并对单闭环无静差直流调速系统进行时域分析。关键词：单闭环无静差直流调速系统 时域分析 超调量 调节时目 录1单闭环无静差直流调速系统简介11.1 系统原理11.2 系统的整体设计11.3电流截止负反馈简介21.4各环节简介及传递函数31.4.1比例积分放大器31.4.2晶闸管整流器41.4.3额定励磁下的直流电动机52单闭环无静差直流调速系统的时域分析72.1 系统动

4、态结构图72.2 动态性能分析82.3稳态性能分析103基于MATLAB的时域分析104总结体会14参 考 文 献141单闭环无静差直流调速系统简介1.1 系统原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。 在本设计中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压，用作控制整流桥的

5、“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。1.2 系统的整体设计单闭环无静差直流调速系统调速系统原理图 1.3电流截止负反馈简介直流电动机全电压起动时，如果没有采取专门的限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，

6、对于过载能力低的晶闸管等电力电子器件来说，更是不允许的。系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制的基本概念，要维持某个物理量基本不变，只要引入该物理的负反馈就可以了。所以，引入电流负反馈能够保持电流不变，使它不超过允许值。但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减。这种当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫做电流截止负反馈。直流调速系统中的电流截止负反馈环节如下图所示，电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻，正比于电流。设为临界的截止电流，当电流

7、大于时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，需引入比较电压，图a中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。在与之间串接一个二极管VD，当>时，二极管导通，电流负反馈信号即可加到放大器上去；当 时，二极管截止，消失。图b利用稳压管VS的击穿电压作为比较电压，线路要简单得多，但不能平滑调节截止电流值。1.4各环节简介及传递函数1.4.1比例积分放大器比例积分调节器（PI调节器）可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行实现无静差调速，又可以快速响应控制作用。采用模拟控制时，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路图如下

8、图所示。 比例积分（PI）调节器PI调节器的传递函数为PI调节器比例放大部分的放大系统；PI调节器的积分时间常数。此传递函数也可以写成如下的形式式中PI调节器的超前时间常数。在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如下图所示 阶跃输入时PI调节器的输出特性 由上图可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因为快速性被压低了，换来稳定性的保证。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。1.4.2晶闸管整流器晶闸管整流器电动机调速系统（

9、简称VM系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。通过调节触发装置GT的控制电压UC来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud ,从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速控制作用；运行损耗小，效率高；这些优点使VM获得了优越性能。优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点：1由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。2元件对过电压、过电流以

10、及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。在理想情况下，UC和Ud之间呈线性关系： Ud=KsUC式中 Ud平均整流电压 UC控制电压Ks晶闸管整流器放大系数。 VM系统晶闸管触发与整流装置的近似函数为： 1.4.3额定励磁下的直流电动机 他励直流电动机等效原理图（主电路，假定电流连续）（额定励磁下的感应电动势）（牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦）（额定励磁下的电磁转矩）式中包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm；电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为

11、；电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A；定义下列时间常数：电枢回路电磁时间常数，单位为s；电力拖动系统机电时间常数，单位为；得电压与电流间的传递函数电流与电动势间的传递函数为所以额定励磁下直流电动机的动态结构图如下： 额定励磁下直流电动机的动态结构图理想空载直流电动机的动态的结构图 2单闭环无静差直流调速系统的时域分析2.1 系统动态结构图 单闭环无静差直流调速系统 单闭环无静差直流调速系统的动态结构图 2.2 动态性能分析设系统的参数为： 根据动态结构图求得系统的前向通道传递函数为 对于分母中的二次因式来说，若则可作因式分解得 取控制参数，可得 将系统参数代入得 对分母中的二次项公因

12、式作分解，有 取，则有 由已知条件知，反馈通道传递函数为 故闭环传递函数为 特征方程 由劳斯判据，有 另外，考虑到=0.00167，相对其他时间常数较小，可忽略。因而系统的闭环传递函数可近似成 对照二阶系统标准形式，有 如果要求系统，则可解得 ， 2.3稳态性能分析对于I型系统，在给定信号作用下的稳态误差。对于I型系统，在给定扰动信号作用的稳态误差为 =0系统总的稳态误差为 3基于MATLAB的时域分析 在MATLAB中，可以通过单输入单输出系统的传递函数，进行系统的阶跃响应的时域分析分析。如果给定系统的传递函数为，则其时域响应可以由以下函数得出，即： 或 注意，时间t是事先定义好的矢量。 上

13、面已经求得单闭环无静差直流调速系统的闭环传递函数为 用MATLAB分析在不同的的值时，系统的单位阶跃响应键入如下程序t=0:0.01:2;kp1=0.01;num1=50830.43*kp1;den1=1 27.17 355.815*kp1;kp2=0.5;num2=50830.43*kp2;den2=1 27.17 355.815*kp2;kp3=1;num3=50830.43*kp3;den3=1 27.17 355.815*kp3; kp4=2.5;num4=50830.43*kp3;den4=1 27.17 355.815*kp4; kp5=4.5;num5=50830.43*kp3;

14、den5=1 27.17 355.815*kp5;y1,x,t=step(num1,den1,t);y2,x,t=step(num2,den2,t);y3,x,t=step(num3,den3,t);y4,x,t=step(num4,den4,t);>> y5,x,t=step(num5,den5,t);>> plot(t,y1,t,y2,t,y3,t,y4,t,y5);>> grid on;运行结果如下图 由上图可以看出，当=0.5时，系统的转速响应无超调，但调解时间较长；当=0.01时，系统转速响应的超调较大，但快速性较好。当取最佳阻尼比时，相应的=0.

15、1，则此时系统的单位阶跃响应键入如下程序t=0:0.01:2;num=5083.043;den=1 27.17 355.815;step(num,den)运行将结果为 由上图可知上升时间峰值时间调节时间超 调 量 4总结体会回顾本次课程设计，从选题到定稿，从理论到实践，在整整几周的日子里，可以说是非常的忙碌，但同时又很充实，因为从中收获很多知识。通过本次课程设计，复习和巩固了专业知识，对单闭环无静差直流调速系统有了更深的认识，加深了理解，也使自己能够更加熟练地运用自控理论分析和解决问题，是对课堂所学知识的一次很好的应用。在此过程中，通过大量的查找资料和请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思

16、考，动手操作的能力，而且在各种其他能力上都有了相应的提高，比如学会了如何熟练地使用MATLAB进行系统仿真设计，论文如何生成目录，如何使用数学编辑器等等。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，还要进行相应的实践，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能更加深入地理解知识，获得新知，发现并弥补自己的不足，从而提高自己实际动手能力和独立思考的能力。课程设计做完了，要感谢老师的指导和同学们的帮助。在这次课程设计中，遇到了许多的困难和问题，这些问题不单单是理论上的而且还有实践操作上的具体问题，老师也提供了许多宝贵的资料，最后在老师的辛勤指导以及

17、同学的热心帮助下终于迎刃而解了，同时也在老师和同学的身上学到了许多实用的知识，令我受益匪浅，在这里再次表示感谢。参 考 文 献1 谢红卫. 现代控制系统. 高等教育出版社，20072 黄坚. 自动控制原理. 高等教育出版社，20033 黄忠霖. 自动控制原理的MATLAB实现. 国防工业出版社，2007 4 陈伯时. 电力拖动自动控制. 北京：机械工业出版社，20085 梁虹，普园媛，梁洁.信号与线性系统分析M. 高等教育出版社，2006课程设计成绩评定表系部： 物理系 班级： 自动化（3） 学生姓名： 邱杰 学号： 2010341318 项目分值优秀(100>x90)良好(90>

18、x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准平时考核20学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务。学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作。学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务。学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度。课程设计报告报告内容组织书写20结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰。结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰。结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整。内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。技术水平20设计合理、理论分析与计算正确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。设计合理、理论分析与计算正确，文献引用、调