单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真

1、课题：一、单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真一作者：学号：专业：班级：指导教师：摘要在对调速性能有较高要求的领域,如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求,可利用速度负反应提升稳态精度,而采用比例调节器的负反应调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可利用积分调节器代替比例调节器.通过对单闭环调速系统的组成局部可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析,比拟原始系统和校正后系统的差异,得出直流电机调速系统的最优模型,然后用此理论去设计一个实际的调速系统.本设计首先进行总体系统设计,然后确定各个参数,当明确了系统传函之后,再进行稳定性分析

2、,在稳定的根底上,进行整定以到达设计要求.另外,设计过程中还要以Matlab为工具,以求简明直观而方便快捷的设计过程.摘要：Matlab开环闭环负反应静差稳定性V-M系统摘要2一、设计任务41、条件42、设计要求4二、方案设计51、系统原理52、限制结构图6三、参数计算7四、PI调节器的设计9五、系统稳定性分析11六、小结12七、参考文献13一、设计任务1、条件一晶闸管-直流电机单闭环调速系统(V-M系统)的结果如图所示.图中直流电机的参数：Pnom=2.2KVynnom=1500r/min,Inom=12.5A,Unom=220V电枢电阻Ra=1欧,V-M系统主回路总电阻R=2.9欧,V-M

3、系统电枢回路总电感L=40mH拖动系统运动局部飞轮力矩GD2=1.5N.m2测速发动机为永磁式,ZYS231/110xi型,整流触2、设计要求：(1)生产机械要求调速围D=15(2)静差率s<5%(3)假设U*n=10V时,n=nnom=1500r/min,校正后相角稳定裕度丫=45o,剪切频率3O35.0rad/s,超调量6w30%调节时间ts<0.1s二、方案设计1、限制原理根据设计要求,所设计的系统应为单闭环直流调速系统,选定转速为反应量,采用变电压调节方式,实现对直流电机的无极平滑调速.所以,设计如下的原理图：,相电源输出L_3速度L调节器速度电流反应与过流保护触发电路图1

4、、单闭环直流调速系统原理图'Ll转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反应到输入端,再与给定值比拟,经放大环节产生限制电压,再通过电力电子变换器来调节电机回路电流,到达限制电机转速的目的.这里,电压放大环节采用集成电路运算放大器实现,主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供应.图2、单闭环直流调速系统具体原理图2、限制结构图有了原理图之后,把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示,就得到了系统的稳态结构框图.-图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图同理,用各环节的输入输出特性,即各环节的传递函数,表示成结构图形式,就得到了系统的动态结构框图.由所学的相关课程知：放

5、大环节可以看成纯比例环节,电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节,这里把它看作一阶惯性环节,而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节.图4、单闭环直流调速系统动态结构框图三、参数计算：根据参数计算如下：1、为了满足D=15,sW5%额定负载时调速系统的稳态速降为:nNS15000.05ncir/min5.26r/minD(1s)15(10.05)2、根据出,求出系统的开环放大系数先计算电动机的电动势系数cUnInRa(22012.51)VCe-0.1383Vmin/rnN1500r/min那么开环系统额定速降为nopInR12.52.9r/min262.11r/min0.1383闭环系

6、统的开环放大系数应为ncl262.111149.83148.835.263、计算测速反应系数:Un=k-AUnUn*-Un=AUn带入条件K=48.83,Un*=10V得Un=9.8V所以反应系数a=,L=&8_=0.0065nnom15004 .计算运算放大器的放大系数和参数KCe48.830.1383Kpe23.6Ks0.006544实取Kp23.6p按运算放大器参数,取R040K那么R1KpR023.640K945K5 .反应电压UnnN15000.0065V9.75V6 .系统中各环节的时间常数:电磁时间常数TiL0.040.0138sR2.9电机时间常数2GD2R1.52.9

7、375ceCm3750.138330s0.0635s0.1383对于三相桥式整流路,晶闸管装置的滞后时间常数为Ts0.00167s为保证系统稳定,开环放大系数的稳定条件_2/Tm(TlTs)TsK0.0635(0.0138000167)0.001672TTs0.01380.0016742.75=Kcr按稳态调速性能指标要求K>Kcr,因此,此闭环系统是不稳定的.四、PI调节器的设计由于闭环系统不稳定,利用伯德图设计PI调节器,使系统在保证稳态性能要求下稳定运行.原始系统的开环传递函数为W(s)(Ts1)(TmTlS2TmS1)由上Ts0.00167s,Ti0.0138s,Tm0.0635

8、s,在这里,Tm4Tl,因此分母中的二次项TmTiS2TmS1可分解成两个一次项之积,即TmTlS2Tms10.0008763s20.0635s1(0.0432s1)(0.0203s1)23.6440.006548.80那么闭环的开环放大系数取为Ce0.1383于是,原始闭环系统的开环传递函数是W(s)=48.8(0.0432S1)(0.0203S1)(0.0167S1)三个转折频率分别为：W1=1/T1=1/0.0432=23.1sW2=1/T2=1/0.0203=49.3sW3=1/T3=1/0.0167=600s利用margin命令函数n1=048.8;d1=0.04321;s1=tf(

9、n1,d1);n2=01;d2=0.02031;s2=tf(n2,d2);n3=01;d3=0.001671;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始的闭环调速系统的频率特性如下列图(gp-SF1U臂三=s岩)篇左0-t0-iQO0GO-2TQHod#DiagramGmaJ17dB191Pm-78(at240rnd/sc)Fiequtncyrrad/sec)而20lgK=20lg48.8=33.77dB由于相角裕度和增益裕度GM都是负值,所以原始闭环系统不稳定.现在换成PI调节器,它在原始系统的根底上新添加局部的传递函数应为1Wpi(s)KpKpis1

10、Kps20lgK20lg,i40lg220lg(上)212220lgc112所以C1c.48.823.149.3s1235.74s1取KpiT10.0432s,为了使c2-49.3S1,取c240s1,那么L1L230dB所以201gKpKpiKp30dB,KPi31.6,Kp23.6,所以Kpi23.60.7531.6TiKpi0.04320.750.0576于是,PI调节器的传递函数为Wpi(s)0.0432s10.0576s最后,选择PI调节器的阻容参数.R040K,RKpiR00.7540K30K,取Ri30K,CiRo但1.44F40那么校正后的动态图如下:五、系统稳定性分析由Sim

11、ulink的动态模型绘制校正后系统Bode图A,B,C,D=linmod(mx009B');S0=ss(A,B,C,D)；S1=tf(s0);Step(s1);运行程序后绘制系统Bode图如下：BMeDlttgiamGm-N3.34B(<al165radsec>pPm-45卫deg(at34Graii!seG)一国-困Slid相角裕度产45deg和增益裕度GM=23.2dB都是正值,所以原始闭环系统稳定.由Simulink的动态模型绘制校正后系统单位阶跃响应曲线A,B,C,D=linmod(mx009B');S0=ss(A,B,C,D)；S1=tf(s0);Step(s1);运行程序后绘制系统单位阶跃响应曲线如下：六、心得体会经过这次的课程设计,我学会了很多平时没有接触的知识.已掌握的自动限制知识在本次实践中得到了充分的发挥.在和同学合作的过程中,我也充分体会到了团结协作的重要性.完成了本次课程设计.经过这次课设,我学习并掌握了自动限制的根本工作原理,了解了基本知识,拓展了知识面.温故知新,收获蛮多.这次设计尚存在很多缺点和缺乏,希望老师批评指正.设计