控制系统仿真与设计课程设计报告

1、控制系统仿真与设计课程设计报告一、目 录摘要3一、 概 述3二、 设计任务与要求 42.1 设计任务42.2 设计要求4三、 理论设计 53.1 方案论证 53.2 系统设计63.2.1 电流调节器设计 63.2.2 速度调节器设计 9四、 系统建模及仿真实验 114.1 MATLAB 仿真软件介绍 114.2 仿真建模124.3 仿真实验12五、 总结与体会 15参考文献 15摘 要在直流双闭环调速系统教学中, 电流环和转速环参数的简化计算是教学关键环节, 文章针对某双闭环直流调速系统, 进行了参数的详细计算和电流环和转速环的设计, 并采用 MATL AB /SI MULI NK对实际系统进

2、行了仿真, 给出了起动过程中的电枢电流和转速变化的波形, 并对结果进行了分析。结果表明在实验中引入MATLAB /SI MULI NK仿真是对实际实验的良好补充, 能够加深学生对实验的认识。关键词：MATLAB；直流调速；双闭环；转速调节器；电流调节器；干扰一、 概 述直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。特别是在高精度位置伺服

3、控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用2，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。如在设计过程中使用Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试4。Matlab中的动态建模、仿真工具SimuLink具有模块组态方便，性能分析直观等优点，可缩短产品的设计开发过程，也可以给教

4、学提供了虚拟的实验平台。二、 设计任务及要求2.1设计任务设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机参数：l 额定功率25KW，额定电压220V，额定电流136A，l 额定转速 1600r/m，=0.132Vmin/r， l 允许过载倍数=1.5。l 晶闸管装置放大系数：=40l 电枢电阻：Ra=0.5l 电枢回路总电阻：2Ra=1l 时间常数：机电时间常数=0.18s， 电磁时间常数=0.03sl 电流反馈系数：=0.05V/Al 转速反馈系数：=0.007v min/rl 转速反馈滤波时间常数：=0.005s，=0.005sl 总飞轮力矩

5、：GD=2.5N.ml h=62.2设计要求系统稳态无静差，电流超调量 i 5%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n 10。系统具有过流、过压保护。三、理论设计3.1 方案论证采用转速负反馈和PI调节器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，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流

6、的动态波形。为了实现在允许条件下的最快起动，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。现在的问题是，我们希望能实现控制：n 起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；n 稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。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。，把转速调节器 A S R的输出当作电流调节器 A C R的输入， 再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置 G T ， T A为电流传感器

7、， T G为测速发电机 从闭环结构上看， 电流调节环在里面， 叫做内环， 转速调节环在外边， 叫做外环， 这样就形了转速、 电流双闭环调速系3.2 系统设计校正环节的设计方法很多，而且是很灵活的，用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互矛盾的静动态性能要求，需要设计者具有扎实的理论基础，丰富的实际经验和熟练的设计技巧。这样初学者往往不易掌握，在工程应用中也不很方便。于是便产生建立更简便实用的工程设计方法。图 1 电流、转速双闭环直流调速控制系统3.2.1 电流调节器设计实际系统中往往有一些小时间常数的惯性环节，它们的倒数都处于对数频率特性的高频段，对它们作近似处理

8、不会显著地影响系统的动态性能。故当系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以将它们近似看成一个小惯性环节，其时间常数等于原系统各小时间常数的和6。经过小惯性环节的处理，并且忽略反电动势对电流环的影响，再假定为理想空载即，得电流环简化结构图2所示，图 2 电流环（内环）简化结构为限制超动电流过大在电流环中采用抗饱合电流调节器，由于电流检测信号中常含有交流分量，故需要加低通滤波，其滤波时间常数 按需要选定，滤波环节可抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞，为了平衡这一延迟作用在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节，其意义是让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，

9、使两者得到恰当的配合，图中，。由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而希望超调量越小越好，同时要求抗扰动性能较好，因此一般都按典型I型系统来设计电流环，取抗饱合电流调节器（PID）中的D为零，建立如下一个双闭环调速系统的电流环，其SIMULINK系统结构图如图3所示2 电力拖动控制系统的设计。由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，应采用PI调节器，其传递函数为：（3.1）式中： 电流调节器的比例系数电流调节器的超前时间常数电流调节器的待定参数包括和，为了让调节器的零点对消掉控制对象的时间常数极点，令=则电流环的闭环传递函数为（3.2）式中： 降阶处理后

10、近似为：（3.3）在一般情况下，希望超调量，由表1可取阻尼比 ，表1 典型I型系统动态跟随性能指标与参数的关系因此 参数计算结果：( 1) 反馈参数和时间常数的确定TS = 0. 001 7T% i= TS + Toi = 0 . 001 7+0 . 002= 0 . 003 7 s。（2)电流调节器结构选择和参数计算K i =1.12 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电流环可以达到动态给随性能指标为 3.2.2 速度调节器设计为了简化系统，在此内电流环建成后，必须进行模块封装，可将其取名为“被控制对象”，继而再建立它的转速外环。为了

11、限制转速，以免产生负转现象，在转速环中亦采用抗饱合调节器（PID）。则测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换相纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数为 表示，跟电流环一样道理，在转速给定通道中也配上时间常为 的给定滤波环节。并经过将滤波环节等效地移到环内，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，则转速环简化成如图所示。转速环一般选用典型II型系统这首先是基于稳态无静差的要求，其次从动态性能上看，有较好的抗扰性能。转速调节器也应采用PI调节器，其传递函数为：（3.5）式中， Kn转速调节器的比例系数n转速调节器的超前时间常数这样，转速系统的开环传递函数为（3

12、.6）式中，转速环开环增益转速调节器的参数包括Kn和n，按照典型II型系统的参数选择方法得， 所以转速调节器的比例系数h的选择要以系统对动态性能的要求来决定，一般选择h=5。速度调节器的参数计算结果：( 1) 时间常数的确定转速环小时间常数近似处理取( 2)转速调节器结构选择和参数计算四、 系统建模及仿真实验4.1 MATLAB 仿真软件介绍作为一种面向科学与工程计算的高级语言，MATLAB由于使用极其方便、而且提供丰富的矩阵处理功能，所以很快引起了控制领域研究人员的高度重视，并且此基础上开发了控制理论与CAD和图形模块化设计方法相结合的控制系统仿真工具箱，目前它已成为国际控制界最流行的计算机

13、仿真与CAD语言。MATLAB语言除可以进行传统的交互式编程来设计控制系统以外，还可以调用它的控制系统工具箱来设计控制系统。用MATLAB设计出控制系统进行仿真后，可以利用MATLAB的工具在线生成C语言代码，用于实时控制。可以毫不夸张地说，MATLAB已不仅是一般的编程工具，而是作为一种控制系统的设计平台出现的。目前，许多工业控制软件的设计就明确提出了与MATLAB的兼容性。MATLAB及其工具箱将一个优秀软件包的易用性、可靠性、通用性和专业性，以及以一般目的应用和高深的专业应用完美地结合在一起，并凭借其强大的功能，先进的技术和广泛的应用，使其逐渐成为国际性的计算标准，为世界各地数十万名科学

14、家和工程师所采用。今天，MATLAB的用户团体几乎遍及世界各主要大学、公司和政府研究部门，其应用也遍及现代科学和技术的方方面面。4.2 仿真建模使用MATLAB 进行仿真和系统控制时,可以应用MATLAB提供的动态仿真工具Simulink组件。首先建立双闭环调速系统的仿真模型,晶闸管整流电路可以由SimPowerSystems模块集中的电力电子模块库PowerElectronics中的Thyristor来实现;直流电动机可以采用SimPowerSystems中的电机模块,这些模块封装了电机的电气与机械方程,在模块给定了参数后就可以直接模拟实际电机的工作状态;测速发电机、 励磁系统和电动机均可由

15、电气系统模块集中的DC Machine模块实现。4.3 仿真实验仿真机构图设某电动机铭牌参数为:额定电压U N =220V,额定电流IN=136A,额定转速为nN=1500rpm,Ke=0.228V/rpm,=1.5,晶闸管装置的放大倍数为Ks=62.5,电枢回路总电阻Ra=0.863,电流反馈系数=0.028V/A,转速反馈系数=0.0041V/rpm,反馈环节时间常数i =n =0.005s,已知两个调节器参数分别为Ki=1.15,Ti=0.028s,Kn=20.12,Tn=0.092s。文章从以下几个方面对双闭环调速系统进行仿真分析:从仿真结果可以看出,启动过程的第一阶段是电流上升阶段,

16、突加给定电压,ASR的输入很大,其输出很快达到限幅值,电流也很快上升,接近其最大值。第二阶段,ASR饱和,转速环相当于开环状态,系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统,电流基本上保持不变,拖动系统恒加速,转速线性增长。 第三阶段,当转速达到给定值后,转速调节器的给定电压与反馈电压平衡,输入偏差为零,但是由于积分的作用,其输出还很大,所以出现超调。转速超调之后,ASR输入端出现负偏差电压,使它退出饱和状态,进入线性调节阶段,使速度保持恒定,实际仿真结果非常接近理论分析的波形。在实际工作中,系统中的负载有可能发生变化,那么系统的抗负载扰动能力可以通过仿真做以研究。 用一个阶跃环节来表示负载扰动

17、,得出如图4所示的仿真框图。 设负载扰动的阶跃时刻为6s,初值为1N·m,终止值分别为15 N·m和50 N·m,即表示负载在t = 6s时刻由1加至15或50,这样可以分别得出如图4（a）、 （b） 所示的仿真结果。可见,在给定的PI控制器的控制下,即使负载有较大的变化,仍能很快回复到额定转速,系统抗负载扰动的效果是很理想的。 图三 (a) Ki=5、Kn=3 图三（b) Ki=10、 Kn=15 图四( a）负载在t = 6 s时刻加至15 N. m 图四（b）负载在t = 6 s时刻加至50 N.m图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。五、 总结与体会通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在设计完成后进行仿真，我们利用MATLAB仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。本次设计的时间比较仓促，但我在老师的指导下和同学们得帮助下，克服了很多困难圆满完成这次设计。但是，通过设计我也明白一点，我们上课所学到的知识在做本设计时是远远的不够的，只是设计的一点皮毛而已。平常我们应该扩大自己得知识面。经过这