运动控制课程设计报告

1、 运动控制系统课程设计报告设计题目：带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统设计与实践指导教师：刘学 号：2006550405设计时间：2009.9.142009.9.22目 录摘要2一、 概 述2二、 设计任务与要求 32.1 设计任务32.2 设计要求3三、 理论设计 43.1 方案论证 43.2 系统设计43.2.1 电流调节器设计 43.2.1.1 电流环结构框图的化简53.2.1.2 确定时间常数63.2.1.3 选择电流调节器的结构63.2.1.4 校验近似条件63.2.1.5 计算调节器电阻和电容63.2.2 速度调节器设计 73.2.2.1 确定时间常数83.2.2.2 选择转速调

2、节器结构93.2.2.3 检验近似条件93.2.2.4 计算调节器电阻和电容93.2.2.5 校核转速超调量93.2.3 转速微分负反馈设计 10四、 系统建模及仿真实验 114.1 MATLAB 仿真软件介绍 114.2 仿真建模及实验 114.2.1 单闭环仿真实验124.2.2 双闭环仿真实验144.2.3 带转速微分负反馈的双闭环仿真实验164.2.4 仿真波形分析17五、 实际系统设计及原理195.1 系统组成及工作原理 195.2 设备及仪器 195.3 实验过程 205.3.1 实验内容205.3.2 实验步骤20六、 总结与体会 21参考文献 22. 摘 要从七十年代开始，由于

3、晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制

4、作的一些情况。关键词：直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器 转速微分负反馈 一、 概 述 我们都知道，对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电流环，相应的要运用转速调节器和电流调节器对转速和电流进行调节。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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；转速环在外边，称作外环，形成转

5、速、电流双闭环调速系统。采用PI调节的单个转速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。略有不足之处就是转速必然超调，而且抗扰性能的提高也受到限制。解决这个问题的一个简单的有效的方案就是在转速调节器上增设转速微分负反馈，加入这个环节可以抑制甚至消灭超调，同时可以大大降低动态速降。 二、设计任务及要求2.1设计任务设计一个带转速微分负反馈的直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机：l 额定功率3KW，额定电压220V，额定电流17.5A，l 额定转速 1950r/m，=0.13Vmin/r， l 允许过载倍数=2.1l 晶闸管装置放大系数：=30l

6、电枢回路总电阻：Ra=1.25 Rrec=1.3 RL=0.3 L=200mHl 时间常数：机电时间常数=0.162s， 电磁时间常数=0.07sl 电流反馈系数：=0.36V/A（10V/Inom-10V/1.5Inom）l 转速反馈系数：=0.0067v min/r（10V/nnom-10V/1.5nnom）l 转速反馈滤波时间常数：=0.01s，=0.002sl 总飞轮力矩：GD=3.53N.ml h=5l di/dt=10Inom/s2.2设计要求调速范围D=10，静差率S 5；稳态无静差，电流超调量 i 5%,电流脉动系数Si 10；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n 10，空载

7、起动到额定转速时的过渡过程时间ts 0.5s。 系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 触发脉冲有故障封锁能力。 对拖动系统设置给定积分器。三、理论设计3.1方案论证按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计转速微分负反馈环）。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入转速微分负反馈,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的

8、电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。3.1.1双闭环直流调速系统的结构框图见图3.1:图3.1 双闭环直流调速系统

9、的动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.2系统设计3.2.1电流调节器设计电流调节器的设计一般来说包含：时间常数的确定、电流调节器结构的选择、电流调节器参数的计算、近似条件的检验和实际电路中电阻和电容的计算。本设计中考虑到电流检测信号中常含有交流分量，为了使它不影响到调节器的输入，我们按要求在反馈通道中加了低通滤波器。为了平衡该调节器的延迟作用，我们又在电流调节器的前面加了一个同等时间常数的惯性环节，为的是将延迟抵消。3.2.1.1电流环结构框图的化简参阅参考文献1的76、7

10、7页，为了解决反电动势与电流反馈的作用的相互交叉，简化设计过程，我们将系统的作用过程做一定的简化处理。首先我们可以得到，对电流环来说，反电动势是一个变化缓慢的扰动，因此，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即有。这样，在按动态性能设计电流环时，我们可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图一(a)所示。其条件是。 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环变等效成单位负反馈，如图一(b)所示。最后，由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为则电流环结构框图最终简化成图一(c)。简化的近似条件为。

11、ACR(a) 忽略反电动势的动态影响ACR(b) 等效成单位负反馈系统 ACR(c) 小惯性环节近似处理 图3.2 电流环的动态结构框图及其化简3.2.1.2选择电流调节器结构根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型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电流调节器，它的传递函数为： = （3-1）检查对电源电压的抗扰性能： （3-2）符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。3.2.1.3确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数。按书表1-2，三相电路的平均失控时间：=0.0017s （3-3）(2) 电流滤波时间常数。=0.002s （3-

12、4）(3) 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取为：=+=0.0037s (3-5） 3.2.1.4计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.07s （3-6）电流环开环增益：要求5%是按书表2-2，应取=0.5，因此： （3-7）于是，ACR的比例系统为： （3-8）3.2.1.5校验近似条件电流环截至频率： （3-9）晶闸管整流装置传递函数近似的条件为： （3-10）忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为： （3-11）电流环小时间常数近似处理条件为： （3-12）3.2.1.6 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得。各电容和电阻值为：、 （3-13） Ri=40k

13、 （3-14）按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%<5%,满足课题所给要求。Ri=99.51K Ci=0.7uF Coi=0.2uF 取Ri=100K Ci=0.68uF Coi=0.2uF3.2.2速度调节器设计转速调节器的设计类似电流调节器的设计过程，其详细过程参阅文献1的第80页到83页，以下仅给出转速环的动态结构框图的化简及传递函数。 如图3.3(a)，即为未经化简的转速环的动态结构框图。和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 =+则

14、转速换结构框图可简化成图3.3(b)所示。校正后的转速环的动态结构框图如下图3.3(c)所示。ASR(a) 用等效环节代替电流环ASR (b) 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理(c) 校正后成为典型型系统 图 3.3 转速环的动态结构框图及其简化3.2.2.1 确定时间常数(1)电流环等效时间常数。取=0.5，则：s （3-15）(2)转速滤波时间常数。根据所用测速发电机波纹情况，取：=0.01s。 （3-16） (3)转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取：s （3-17） 3.2.2.2 选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： （3-18） 3.2.2.3

15、计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为： （3-19）并且求得转速环开环增益为： （3-20）则可得ASR的比例系数为： （3-21）3.2.2.4 校验近似条件转速截止频率为： （3-22）电流环传递函数简化条件为： （3-23）转速环外环的小时间常数近似处理条件为： (3-24)3.2.2.5 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取=40。各电容和电阻值为： （3-25） （3-26） （3-27）取 0.47uF 3.3Uf3.2.2.6 校核转速超调量当h=4时，由书可以查得：=77.5%，这并不能满足课题所给要求。实际上，由于表2-

16、6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。如下： =37.6% （3-27）3.2.3 转速微分负反馈环节设计双闭环调速系统具有良好的稳态和动态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，实践证明，它是一种性能很好、应用最广的调速系统。然而，略有不足之处就是，转速必然有超调，而且抗扰性能的提高也受到限制。解决这个问题的一个简单有效的方案是在转速调节器上增设转速微分负反馈。在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图所示 图 3.4它是在转速负反馈的基础上叠加了转速微分负反馈信号,在转速变化过程中,

17、只要有转速超调和动态速降的趋势,微分负反馈就开始进行调节。这种方法可以抑制甚至消除转速超调,同时也可以降低负载扰动引起的动态速降,但过强的微分负反馈会使系统的响应速度变慢。其中 取 则只要求出，则微分电容和微分电阻就可求出。按电力拖动自动控制系统中的工程设计方法，当时，得四、系统建模及仿真实验4.1 MATLAB 仿真软件介绍MATLAB是MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，

18、和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAV

19、A的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包. 4.2仿真建模及实验4.2.1双闭环仿真实验为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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，如图4.4所示。ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互

20、感器 UPE-电力电子变换器图4.4 转速、电流双闭环直流调速系统结构图4.4中，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；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图4.9所示： 图4.5 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的

21、SUMLINK模块搭建转速电流双闭环调速系统仿真模型图如 图4.6所示。图4.6 双闭环调速系统仿真模型波形如图4.7和图4.8所示： 图4.7双闭环转速仿真波形图4.8 双闭环调速系统电流波形经过双闭环调速系统上升时间最大波形与双闭环调速系统上升时间最小波形对比可知：限幅值越大上升时间越小，限幅值越小上升时间越大；同时值越大，超调越小；值越小，超调越大。在符合设计要求的情况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调节参数，如表4.2和图4.13所示：表4.2双闭环调速系统调节参数晶闸管放大系数Ks机电时间常数电磁时间常数电流反馈系数转速反馈系数允许过载倍数300. 162s0.07s0.36V

22、/A0.0067vmin/r2.1RASR限幅值0.01s0.002s0.13Vmin/r2.550.0055s8.4VACRASRACR限幅值8.7V0.087 s2.48135.115.3396.46120.140.07s由此可得：双闭环调速系统采用PI调节规律，它不同于P调节器的输出量总是正比与其输入量，PI调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来决定的。4.2.2带转速微分负反馈的双闭环仿真实验 图4-10为带转速微分负反馈的双闭环仿真实验的MATLAB仿真模型图，与双闭环直流调速系统比较，带转速微分负反馈的

23、双闭环直流调速系统在转速外环上增加了一个微分负反馈环节，以消除转速超调，增强抗干扰能力。图4.10 带转速微分负反馈的双闭环调速系统的MATLAB仿真模型 如下图为上图所示仿真模型的运行结果，很直观的，我们可以看出，增加转速微分负反馈环之后，转速没有了超调。 图4.11带转速微分负反馈的双闭环转速仿真波形 (b) 图4.12带转速微分负反馈的双闭环电流仿真波形4.2.2.1系统抗扰性能分析 主要模拟电网电压波动、负载变化、电动机励磁变化、测速电机励磁变化等。电网电压波动、负载变化、电动机励磁变化这些扰动均在反馈环内，故系统能克服扰动.1、改变Ks=33，仿真结果如下图所示 图4.13 从图中可

24、以看出，波形每什么变化，证明系统能克服电网电压波动2、改变Ce=0.15，仿真结果如下图所示 图4.14从图中可以看出，波形每什么变化，证明系统能克服电动机励磁扰动。3、负载扰动的模拟。 在网上搜到挖土机的负载特性，下图为其挖掘臂遇到坚硬石壁时的负载特性。 图4.15在Signal Buider里面模拟如如下 图 4.16负载电流有一段时间大于额定电流17.5A.系统响应波形如下 图4.17从图中可以看出，转速降落在10%以内，符合要求。4、测速电机励磁扰动模拟测速电机励磁扰动会造成电压反馈系数的变化，由于扰动在反馈环上，不在反馈包含的前向通道上，故系统不能克服其干扰。励磁扰动模拟仿真如下图所

25、示： 图4.184.2.3仿真波形分析从图4.12的波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第阶段：电流上升阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.第阶段：是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值 n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段：

26、转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用归纳为： 1). 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小

27、转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2). 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。五、实际系统设计及实验5.1 系统组成及工作原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速

28、分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。实际系统的组成如图5.1所示 图5.1 实物连接图主电路采用三相桥式全控整流电路供电。系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压可方便地调节电动机的转速。速度调节器ASR、电流调节器ACR均设有限幅电路，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅起限制启动电流的作用；ACR的输出作为触发器GT的移相控制电压，利用ACR的输出限幅Ucm起限制电力电子变换器的最大输出电压的作用。当突加给定电压时，ASR立即达到饱和输出*，使电动机以限

29、定的最大电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速并出现超调，使ASR退出饱和，最后稳定运行在给定转速上。5.2 设备及仪器DJK01 电源控制屏（含“三相电源输出”、“励磁电源”等模块）DJK02三相变流桥路（含“触发电路”、“正桥功放”、“三相全控整流”模块）DJK04 电机调速控制（含“给定”、“电流调节器”、“速度变换”等模块）DJK08 可调电容DD03-2 电机导轨、测速发电机及转速表（或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表） DJ14 直流他励电机 铭牌参数：额定功率0.185KW，额定电压220V，额定电流1.2A，额定转速 1600r/m，Ce=0.113Vmin/

30、r， DK04 滑线变阻器（串联形式0.65A/2K；并联形式1.3A/500）慢扫描示波器万用表5.3 实验过程5.3.1 实验内容1理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带转速微分负反馈的双闭环V-M调速系统的基本原理，解决积分调节器的饱和非线性问题；采用工程设计方法设计一个带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统(含主电路和控制电路,选择的元器件，系统的电气原理图)。 2仿真实践：根据所设计系统，利用MATLAB/Simulink建立各个组成部分相应的数学模型，并对系统仿真模型进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。3动手实践：根据所设计系统，完成单元电路安装、系统组装、单元及系统调试（可利用实验台的某些挂件），得出实物实验波形和系统动、静态性能5.3.2 实验步骤1单元部件参数整和调试（1）触发器整定。（2）调节器调零。（3）调节器输出限幅整定。2电流环调试（1）电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定。（2）系统限流性能的检查和电流反馈系数的测定。（3）电流环动态特性的研究。 3. 转速环调试（1）转速反馈极性及转速反馈系数的测定。（2）转速环动态特性的研究。4.系统静特性的测定（1）调节转速给定电压及发电机负载电阻,使,改变发电机负载电阻,即可测出系统静特性曲线。（2）