《自动控制系统》课程主题设计-转速、电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究

我从来就不是一个独立的人，也从没有独立生活过，直到来了加国。然后发现，有生俱来的独立细胞瞬间苏醒，几乎可以万事不求人，独立自强到令自己刮目相看。其实是环境使然，因为我也求不到人，举目无亲，求人不如求己。一个人带着女儿东奔西走，上下求索，差不多半年的时间，生活才算安定下来。有幸结识了几位华人朋友，圣诞节前第一次聚餐，说起各自的安居经历，无不感叹，加国是个锻炼人的好地方，堪堪把在座的娇娇女都变成了女汉子。主人是一位大我两岁的姐姐，上得厅堂下得厨房，最是热情好客，令人宾至如归。席间说起各自的圣诞计划，我打算带女儿去夏威夷度假。话音刚落，便有两个声音相继表示可以负责我的机场接送。我和这里的许多老外一样，早在订机票的同时就租好了机场的昼夜停车，自驾往返机场。于是婉言谢绝了朋友的好意。“下次不许再这样了啊！知道你是不想给人添麻烦，但你知不知道我们就是喜欢被麻烦呀？”主人心直口快地埋怨道。“我是早上七点的航班，五点半就得值机，四点半出发，若是让你们送的话，岂不是要跟我一样倒时差了，如果是中午的航班，我就不客气了。”“任何时侯都不需要客气。朋友是用来干什么的？朋友就是用来相互亏欠的。因为把你当朋友，所以我有求于你的时侯才不会犹豫，反之你有需要的时侯，也理所当然地来求我办事，人与人之间的感情就是在一次次的相互亏欠互还人情的过程中日渐亲厚的。我巴不得你麻烦我，这样下次我麻烦你的时侯就理直气壮了，否则你从不求我，我怎么好意思去求你，你说是不是这个理儿？”我把这当作了一堂宝贵的人情世故课。简单朴实的道理，却蕴含着与人交往的大智慧。怪不得她周围有这么多的朋友，我很羡慕她为人处事的通透。从那以后，我学会以另一种方式与人相交，大方索取，大方回报，有欠有还，交情不断。有位家长临时有事找人代班去图书馆做义工，我正好有时间，立刻响应。之前我们只是恰好在同一个家长群里的点头之交，见面连话都没说过两句。事后，她主动表示有机会一定要替我一次班，我欣然接受，你来我往的便成了朋友，更是将相互代班发扬成了传统。邻居外出期间托我帮他浇花剪草送收垃圾桶，我爽快地同意，等我回国时，也毫不犹豫地请他为我服务。有一天我不在家，监控摄像头通过手机提示我的院门被风刮开了，摇摇晃晃，还没来得及通知朋友帮我去看一眼，就见邻居走进了画面，拿着工具帮我把松掉的门拴修好，关门离去。我又欠了他一次，没关系，下次包饺子时给他多煮一份。女儿的玩伴度假回来带给我们一罐锡兰红茶，等到春天，我从国内给她捎回明前龙井。她妈妈种的蓝莓大丰收，送给我一盆，我吃不了做成了蓝莓酱，又给她送回去一瓶。下一次，她干脆叫我去她家，品茶煮蓝莓酱。几年下来，我不再是当初那个独在异乡求助无门的女汉子，如今女汉子仍在，却是同在异乡，出入相友守望相助。朋友是用来相互亏欠的，投我以桃，报之以李。《自动控制系统》课程主题设计转速、电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究姓名：王瑞祥学号：120101301专业：电气自动化指导教师：张琦焦作大学2014-06目录课程设计任务书前言1课程设计的目的2课程设计的内容第一章直流双闭环调速系统原理1.1系统的组成1.2系统的原理图第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计2.1电流调节器的设计2.2转速调节器的设计第三章系统仿真心得体会参考文献前言对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。1课程设计的目的《自动控制系统课程设计》是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是使学生巩固和加深课程的理论知识，结合实际，融会贯通。进一步培养学生独立分析和解决实际工程技术问题的能力。充分发掘自身的潜力，开拓思路设计双闭环直流调速系统。并掌握其系统的组成、工作原理、调节器的设计及Simulink仿真等内容，同时在计算、绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为今后的学习工作奠定基础。2课程设计的主要内容晶体管整流装置采用三相桥式全控整流，整流变压器绕组按△-Y连接。直流他励电动机的额定数据为：440V，200A，1460r/min；允许过载倍数λ>1.5；触发整流放大系数Ks=36，整流回路总电阻R=0.7Ω（包括电枢电阻），时间常数Tl=0.06s,Tm=0.7s。电流反馈系数转速α=0.05V/A，反馈系数测速α=0.008V•min/r发电机采用永磁式，额定数据为：23.1W，110V，0.21A，1900r/min。稳态性能指标要求：响应无误差；电流环超调量σ≤0.05；转速环按典型II型系统设计；要求：在给定输入作用下的调节时间最短第一章

直流双闭环调速系统原理1.1系统的组成

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。

为了实现在允许条件下的最快启动，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。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把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；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图1-1

转速、电流双闭环直流调速系统

1.2

系统的原理图

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1-2所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim∗决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

图1-2

双闭环直流调速系统电路原理图

第二章

转速、电流双闭环直流调速器的设计

2.1

电流调节器的设计

2.1.1

电流环结构框图的化简

在图2-1点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互相交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数TL远小于机电时间常数Tm，因此，转速的裱花往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即∆E≈0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，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2-1所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是

ωci≥3

1TmTl

式中

ωci-----电流环开环频率特性的截止频率。

图2-1

忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图

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Ui∗(s)/β，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-2所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。

图2-2

等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图

最后，由于TS和TOI一般都比TL小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为

TΣi=Ts+Toi

则电流环结构框图最终简化成图2-3。简化的近似条件为

ωci≤13

1TSToi

图

2-3

小惯性环节近似处理时电流的动态结构框图

2.1.2

电流调节器结构的选择

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-3可以看出，采用

Ι

型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型

Ι

型系统。

图2-3表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型Ι型系统，显然应采用PI

型的电流调节器，其传递函数可以写成

式中

Ki——

电流调节器的比例系数；

τi

——

电流调节器的超前时间常数。

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择

τi=Tl

则电流环的动态结构框图便成为图2-4所示的典型形式，其中

图2-4

校正成典型

Ι

型系统的电流环动态结构框图

2.1.4

电流调节器的实现

含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI

型电流调节器原理图如图2-5所示。图中Ui∗为电流给定电压，−βId为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压UC。

根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出

图

2-5

含给定滤波与反馈滤波的PI

型电流调节器2.2

转速调节器的设计

2.2.1

电流环的等效闭环传递函数

电流环经等效后可视作转速换中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数Wcli(s)。由图2-4可知

忽略高次项，Wcli(s)可降阶近似为

近似条件为式中

ωcn——转速环开环频率特性的截止频率。

接入转速换内，电流环等效环节的输入量应为

Ui∗(s)，因此电流环在转速环中应等效为

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数

的一阶惯性环节。

2.2.2

转速调节器结构的选择

用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-6所示。

图2-6

用等效环节代替电流环后转速环的动态结构框图

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

U*n(s)/，再把时间常数为

1

/

KI

和

T0n

的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为TΣn的惯性环节，其中则转速环结构框图可化简成图2-7

图2-7

等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后转速换的动态结构框图

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器

ASR

中（见图

2-7），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型

Ⅱ

型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

式中

Kn——转速调节器的比例系数；

τn——

转速调节器的超前时间常数。

这样，调速系统的开环传递函数为

不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-8所示。

2.2.3转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图2-9所示，图中Un∗为转速给定电压，−αn为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压Ui∗。

转速调节器参数与电阻、电容值的关系为

第三章

系统仿真

本设计运用Matlab的Simulink来对系统进行模拟仿真。根据图3-1以及上面计算出的系统参数，可以建立直流双闭环调速系统的动态仿真模型，如图3-2所示。系统运行，空载及突加额定负载时得到系统的电流和转速仿真曲线，如图3-3、3-4。

图3-1直流双闭环调速系统的实际动态结构框图

心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，双闭环直流调速已经成为当今电机调速系统应用中空前活跃的领域，

在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技术是十分重要的。

回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题，同时也发现了自己的不足之处，意识到自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这也将为我今后的学习和工作产生积极的影响。在小组同学的热情帮助下，在指导教师的耐心讲解下，我学会了MATLAB软件的调试和使用，顺利的完成了这次课程设计。

由于水平有限，在设计中难免存在许多不妥之处，敬请老师指正。同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献

【1】

陈伯时主编，电力拖动自动控制系统，第三版，北京：机械工业出版社，2003.7

【2】

华成英，童诗白主编，模拟电子技术基础，第四版，北京：高等教育出版社，2006.5

【3】

谢克明主编，自动控制原理，北京：电子工业出版社，2004.7

【4】

史乃，汤蕴繆编著，电机学，北京：机械工业出版社，2001.4

当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书答礼，温柔体贴，父母给我去了一个好听的名字：李清照。小时侯，受父母影响的我饱读诗书，聪明伶俐，在朝中享有“神童”的称号。小时候的我天真活泼，才思敏捷，小河畔，花丛边撒满了我的诗我的笑，无可置疑，小时侯的我快乐无虑。“兴尽晚回舟，误入藕花深处。争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。”青春的我如同一只小鸟，自由自在，没有约束，少女纯净的心灵常在朝阳小，流水也被自然洗礼，纤细的手指拈一束花，轻抛入水，随波荡漾，发髻上沾着晶莹的露水，双脚任水流轻抚。身影轻飘而过，留下一阵清风。可是晚年的我却生活在一片黑暗之中，家庭的衰败，社会的改变，消磨着我那柔弱的心。我几乎对生活绝望，每天在痛苦中消磨时光，一切都好象是灰暗的。“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写照。最后，香消玉殒，我在痛苦和哀怨中凄凉的死去。在天堂里，我又见到了上帝。上帝问我过的怎么样，我摇摇头又点点头，我的一生有欢乐也有坎坷，有笑声也有泪水，有鼎盛也有衰落。我始终无法客观的评价我的一生。我原以为做一个着名的人，一生应该是被欢乐荣誉所包围，可我发现我错了。于是在下一轮回中，我选择做一个平凡的人。我来到人间，我是一个平凡的人，我既不着名也不出众，但我拥有一切的幸福：我有温馨的家，我有可亲可爱的同学和老师，我每天平凡而快乐的活着，这就够了。天儿蓝蓝风儿轻轻，暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室，我坐在教室的窗前，望着我拥有的一切，我甜甜的笑了。我拿起手中的笔，不禁想起曾经作诗的李清照，我虽然没有横溢的才华，但我还是拿起手中的笔，用最朴实的语言，写下了一时的感受：人生并不总是完美的，每个人都会有不如意的地方。这就需要我们静下心来阅读自己的人生，体会其中无尽的快乐和与众不同。“富不读书富不久，穷不读书终究穷。”为什么从古到今都那么看重有学识之人？那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献。那时因为读书能给人带来快乐。自从看了《丑小鸭》这篇童话之后，我变了，变得开朗起来，变得乐意同别人交往，变得自信了……因为我知道：即使现在我是只“丑小鸭”，但只要有自信，总有一天我会变成“白天鹅”的，而且会是一只世界上最美丽的“白天鹅”……我读完了这篇美丽的童话故事，深深被丑小鸭的自信和乐观所折服，并把故事讲给了外婆听，外婆也对童话带给我们的深刻道理而惊讶不已。还吵着闹着多看几本名着。于是我给外婆又买了几本名着故事，她起先自己读，读到不认识的字我就告诉她，如果这一面生字较多，我就读给她听整个一面。渐渐的，自己的语文阅读能力也提高了不少，与此同时我也发现一个人读书的乐趣远不及两个人读的乐趣大，而两个人读书的乐趣远不及全家一起读的乐趣大。于是，我便发展“业务”带动全家一起读书……现在，每每遇到好书大家也不分男女老少都一拥而上，争先恐后“抢书”，当我说起我最小应该让我的时候，却没有人搭理我。最后还把书给撕坏了，我生气地哭了，妈妈一边安慰我一边对外婆说：“孩子小，应该让着点。”外婆却不服气的说：“我这一把年纪的了，怎么没人让我呀？”大家人你一言我一语，谁也不肯相让……读书让我明白了善恶美丑、悲欢离合，读一本好书，犹如同智者谈心、谈理想，教你辨别善恶，教你弘扬正义。读一本好书，如品一杯香茶，余香缭绕。读一本好书，能使人心灵得到净化。书是我的老师，把知识传递给了我；书是我的伙伴，跟我诉说心里话；书是一把钥匙，给我敞开了知识的大门；书更是一艘不会沉的船，引领我航行在人生的长河中。其实读书的真真乐趣也就在于此处，不是一个人闷头苦读书；也不是读到好处不与他人分享，独自品位；更不是一个人如痴如醉地沉浸在书的海洋中不能自拔。而是懂得与朋友，家人一起分享其中的乐趣。这才是读书真正之乐趣呢！这所有的一切，不正是我从书中受到的教益吗？我阅读，故我美丽；我思考，故我存在。我从内心深处真切地感到：我从读书中受到了教益。当看见有些同学宁可买玩具亦不肯买书时，我便想到培根所说的话：“世界上最庸俗的人是不读书的人，最吝啬的人是不买书的人，最可怜的人是与书无缘的人。”许许多多的作家、伟人都十分喜欢看书，例如毛泽东主席，他半边床上都是书，一读起书来便进入忘我的境界。书是我生活中的好朋友，是我人生道路上的航标，读书，读好书，是我无怨无悔的追求。下午13：00—17：00度。全体员工都必须自觉遵守工作时间，实行不定时工作制的员工不必打卡。打卡次数：一日两次，即早上上班打卡一次，下午下班打卡一次。打卡时间：打卡时间为上班到岗时间和下班离岗时间；因公外出不能打卡：因公外出不能打卡应填写《外勤登记表》,注明外出日期、事由、外勤起止时间。因公外出需事先申请，如因特殊情况不能事先申请，应在事毕到岗当日完成申请、审批手续，否则按旷工处理。因停电、卡钟（工卡）故障未打卡的员工，上班前、下班后要及时到部门考勤员处填写《未打卡补签申请表》，由直接主管签字证明当日的出勤状况，报部门经理、人力资源部批准后，月底由部门考勤员据此上报考勤。上述情况考勤由各部门或分公司和项目文员协助人力资源部进行管理。手工考勤制度手工考勤制申请：由于工作性质，员工无法正常打卡（如外围人员、出差），可由各部门提出人员名单，经主管副总批准后，报人力资源部审批备案。参与手工考勤的员工，需由其主管部门的部门考勤员(文员)或部门指定人员进行考勤管理，并于每月26日前向人力资源部递交考勤报表。参与手工考勤的员工如有请假情况发生，应遵守相关请、休假制度，如实填报相关表单。外派员工在外派工作期间的考勤,需在外派公司打卡记录;如遇中途出差,持出差证明,出差期间的考勤在出差地所在公司打卡记录;3.2加班管理3.2.1定义加班是指员工在节假日或公司规定的休息日仍照常工作的情况。A．现场管理人员和劳务人员的加班应严格控制，各部门应按月工时标准，合理安排工作班次。部门经理要严格审批员工排班表，保证员工有效工时达到要求。凡是达到月工时标准的，应扣减员工本人的存休或工资；对超出月工时标准的，应说明理由，报主管副总和人力资源部审批。B．因员工月薪工资中的补贴已包括延时工作补贴，所以延时工作在4小时（不含）以下的，不再另计加班工资。因工作需要，一般员工延时工作4小时至8小时可申报加班半天，超过8小时可申报加班1天。对主管(含)以上管理人员，一般情况下延时工作不计加班，因特殊情况经总经理以上领导批准的延时工作，可按以上标准计加班。员工加班应提前申请，事先填写《加班申请表》，因无法确定加班工时的，应在本次加班完成后3个工作日内补填《加班申请表》。《加班申请表》经部门经理同意，主管副总经理审核报总经理批准后有效。《加班申请表》必须事前当月内上报有效，如遇特殊情况，也必须在一周内上报至总经理批准。如未履行上述程序，视为乙方自愿加班。员工加班，也应按规定打卡，没有打卡记录的加班，公司不予承认；有打卡记录但无公司总经理批准的加班，公司不予承认加班。原则上，参加公司组织的各种培训、集体活动不计加班。加班工资的补偿：员工在排班休息日的加班，可以以倒休形式安排补休。原则上，员工加班以倒休形式补休的，公司将根据工作需要统一安排在春节前后补休。加班可按1：1的比例冲抵病、事假。3.2.3加班的申请、审批、确认流程《加班申请表》在各部门文员处领取，加班统计周期为上月26日至本月25日。员工加班也要按规定打卡，没有打卡记录的加班，公司不予承认。各部门的考勤员(文员)负责《加班申请表》的保管及加班申报。员工加班应提前申请，事先填写《加班申请表》加班前到部门考勤员(文员)处领取《加班申请表》，《加班申请表》经项目管理中心或部门经理同意，主管副总审核，总经理签字批准后有效。填写并履行完审批手续后交由部门考勤员(文员)保管。部门考勤员（文员）负责检查、复核确认考勤记录的真实有效性并在每月27日汇总交人力资源部，逾期未交的加班记录公司不予承认。徐志摩曾说过：“一生中至少该有一次，为了某个人而忘记了自己，不求结果，不求同行，不求曾经拥有，甚至不求你爱我，只求在我最美的年华里，遇见你。”我不知道自己是何等的幸运能在茫茫人海中与你相遇？我也不知道你的出现是恩赐还是劫？但总归要说声“谢谢你，谢谢你曾来过……”还记得初相识时你那拘谨的样子，话不是很多只是坐在那里听我不停地说着各种不着边际的话。可能因为紧张我也不知道自己想要表达什么？只知道乱七八糟的在说，而你只是静静地听着，偶尔插一两句。想想自己也不知道一个慢热甚至在不熟的人面前不苟言笑的我那天怎么会那么多