电传动内燃机车速度控制试验报告

1、自动控制原理实践报告题目：电传动内燃机车的速度控制学院：自动化工程学院班级：姓名：学号：2016年01月20日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document .课程设计背景2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document .电传动内燃机车工作原理 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document .机车牵引性能的基本概念 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document .控制对象建模 3 HYPERLINK l

2、bookmark16 o Current Document 三、控制器的设计要求和方案 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document .控制设计要求4.设计方案1 / 18四、实验设计与实现 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document .PID 衰减振荡法5 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document .频域控制法7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 六.实践心得 11一.课程设计背景.电传动内燃机车

3、工作原理电传动内燃机车是铁路上常用的一种内燃机车。它使用柴油机带动一台发 电机，将电流输给牵引电动机，冉通过齿轮传动来驱动机车运行。 有直一一直流/ 18电传动（发电机和电动机都是直流的）,交一一直流电传动，交一一交流电传动 三种方式。电力传动内燃机车的能量传输过程是由柴油机驱动主发电机发电， 然后向牵 引电动机供电使其旋转，并通过牵引齿轮传动，驱动机车车轮的旋转。电力传动 原理图如图1:图1 电力传动工作原理1 柴油机；2 牵引发电机；3 电路；4 牵引电动机;5 一主动齿轮；6 从动齿轮；7 动轮2.机车牵引性能的基本概念机车牵引列车运行是由于它具有相当大的牵引力， 用来克服列车起动时和运

4、 行中所受的阻力。机车牵引力（F ）和运行速度（V ）的乘积，就是机车的功 率（P ）,即F V = P ,常用“千瓦”做单位。任何一种机车，它的最大 功率是一定的，叫做标称功率。机车在牵引列车时，所受到的阻力是经常变化的。 当阻力增大时，机车就要发挥出更大的牵引力来克服它；反之，当阻力减小时， 牵引力就可以小一点。为了充分利用机车的功率，要求机车在各种不同运行阻力 的情况下，都能具有恒功率输出性能。这就要使 F V =常数。可见牵引力和 速度之间应当成反比关系：当速度小时，牵引力大；速度大时，牵引力小。把对 F和V的这种要求表示在坐标上，应该是一条双曲线，如图2所示：图2机车理想牵引性能曲线

5、3 / 18这条曲线叫做机车理想牵引性能曲线，无论任何一种机车的牵引性能，都应 与它相符合。当然，曲线的两端不能无限延长。左端，牵引力不能超过轮轨之间 的粘着力，否则车轮会空转；右端，速度也不能超过机车构造所能允许的范围。电力传动内燃机车是由牵引电动机通过齿轮驱动的， 所以机车牵引力和速度 取决于牵引电动机的转矩和转速，从而也就决定了机车的牵引特性。直流用励牵 引电动机的速率与转矩关系如图3所示：图3 直流串励电动机转速与转矩的关系它所具有的工作特性最适合于机车牵引的要求。即机车上坡或负载增加时， 牵引电动机转矩较大，而转速较低，反之，则转矩减小，转速上升。在电传动内燃机车上，牵引电动机一般都

6、采用直流申励电动机。 这是因为这 种电动机的转矩和转速能按照列车运行阻力和线路条件的变化自动进行调节。当机车上坡运行或负载加大时，电机的转速能随着转矩的增大而自动降低， 两者的 关系非常接近理想牵引性能曲线，可以满足列车牵引的要求。在内燃机车交-直流传动系统中，控制系统根据功率偏差信号使励磁电流发生变化， 牵引发电机输 出功率随之改变，从而在维持柴油机输出功率恒定的基础上，调节电动机转速， 实现机车的速度控制。二、控制对象建模根据电传动内燃机车的速度控制原理对控制对象进行建模，控制系统的方框图如图4:4 / 18阻力扰动图4电传动内燃机车的速度控制系统方框图已知电传动内燃机车的角速度控制过程模

7、型为:G5(Rt 2黑f) KmKb将已知参数代人可得控制系统的开环传递函数:G(s)=1000(1 0.1s)(2 0.3s)(s 1) 6,2G(s)=1000_ 3_ 2.0.03S0.53S3.12S 8.2三、控制器的设计要求和方案.控制设计要求试设计一个控制器Gc(s),使电传动内燃机车的速度控制系统达到性能指标: 阶跃响应稳态误差essr 2% ；超调量0p%10% ；调整时间ts 1so.设计方案此类型的题目借助matlab都可以得到快速的解决。5 / 18 首先选择PID,因为非常成熟，可以利用的经验比较丰富。它的各参数与系统时 间域性能指标直接相关，调节起来比较方便。频域方

8、法归根到底都是PID方法，用频域法设计就是选择控制器的零点和极点， 促使系统朝有利于提高系统性能的方向变化，由于这是高阶系统，普通的计算比 较困难，因为无法考虑全闭环零点和闭环极点对系统性能的综合影响，所以考虑在rltool 环境下设计。四、实验设计与实现1.PID控制器PID控制是配合使用合适的比例、积分、微分环节，通过在 Simulink仿真层面 上进行调试，根据结果整定参数，最后满足题目要求。其中，比例作用增加，可 减小稳态误差，提高响应速度，但会加剧振荡；比例积分控制可以使系统由有差 系统变为无差系统，增加积分参数，可以减少超调量，但积分参数太小时，会使 系统变得不稳定；合适的微分作用

9、可以使系统的过渡时间变短，超调量减小。Simulink模型图如下:使用衰减曲线经验公式法整定参数：先令积分环节和微分环节不发生作用，单独调整比例参数 Kp,从0开始，逐次 增大，大约在K=0.017的时候，出现了 4:1的衰减比。此时震荡周期Tk=0.9s ,1比例带=62.5Ki6 / 18通过查询衰减振荡法PID参数整定表，可依次计算得出各参数:Kp=0.021; Ti=0.27s ; Td=0.09s衰减振荡法PID整定参数表比例度TiTdP即oO0PI1.260.5Tk0PID0.8加0.3Tk0.1T；7 / 18从图中可以看出0- %=10%ts=1s ,所以需要减小超调和调整时间

10、， 减小超调量的 方法有：减小Kp,增大Ti ,增大 Td,减小调整时间的方法有，减小Kp,增大 Ti,增大Td,在调节的时候三个参数之间是相互约束的，应该协调三个参数经 过多次调增后终于在 Kp=0.021; Ti=0.36s ; Td=0.16s时满足要求，检验 稳态误差ess2%; 超调量。p%10%; 调整时间ts=0.03211 / 18当选用=1%时，求此时的Kc_1=1 Kp= 1.%Kp =99Kc8.2100099 =0.812故,此时的G(s);8120.03S3 0.53S2 3.12S 8.2在 matlab 下输入 s1=tf(812,0.03 0.53 3.12 8

11、.2);rltool(s1)40nda M1G.M.: -24.8 dBFreq: 10.2 rad/secUnstable loop rr r r .r r a E 1itr r r i* ir r Fr rr r r r 1ar .r r k. t r ,Open-Loop Bode E ditor for Open Loop 1 (OL1)20-2-4S45loavesanp80o5 o 12 72 2&-PM.: -56.3 degFreq: 29.6 rad/seck.r100101102Frequency (rad/sec)103原系统乘上Kc后的bode图12 / 18分析：原系

12、统乘上不能满足题目要求。故需要加入控制器 当只加入滞后控制器后:Open-Loop Bode Editor C)50后口)号苣flwG.M -1 7 dBF蚪 10.9 radJsecLn stable bop-r oo Q o G o 9 9 8 71 1 2 ra吕)塞Lld13 / 18LTI Viewec foi SISO Design laol口国Elle Edit Hmdw HtlpD膏烟用5-tep刊门口。口转1 3。604U.2C 2by stem: u jo sec Loop: r to yVO: r to yPeak ampttude. 1.5Q.5Time i： sec)

13、Plot type changed.1.5D.3回 Res(-TiYifr Llpdst&分析：在只加滞后控制器的情况下，系统的超调量和调整时间都不能满足题目 要求，并且调整到符合题意的参数花费了大量时间，为此我们需要在滞后的基础 上加上超前校正14 / 18Step Rest口risesie-m- Qas?d Loop; rio y I/O: rto y Peak amplitude; 1.DSOvershoot (%: S62 At time *&ecK 0,332System: Ctasecl Loop： rto yI/O rto ySettling Time $铭:QW9二号七五5分析

14、：在滞后一超前控制器的作用之下，系统的超调量为8.62%,同时系统的调整时间为0.99 o系统的快速性、准确性在控制器的作用下大大增大。15 / 1859(国)CJ鹤所以:3P 6 1-33 H 0t un Ur 2 Jio-s1/ iof io5 ioj mFr&q uency (rad/sec)1Current Cormpensalor(1 + 0.29s) C1 + 0,22s)而石而后五.实践心得此次课程设计，由于很早之前题目便已经被选定，我们的准备工作也就相应 的很早就展开了。首先当然是查阅资料，根据题目的要求，能够调适性的搭建出 内燃机车的速度控制系统的模型。然而，我个人发现，虽然这一学期我们学习了 一些自动控制原理的知识，但是并不能将这些知识活学活用，很多东西学过就忘 掉了，需要重新温习，不过好在准备的早，大家都没有太生疏。我在本次课程设计中主要用了 PID衰减振荡法和频域控制法来进行调试的。 不管是PID还是频域，在数据的调试方面，都花费了我很多的精力。