直流电动机双闭环控制系统课程设计

遂慶工商大挙课程设计题目: 直流电动机双闭环控制系统学院 计算机科学与信息工程专业年级 13自动化2班 学生姓名 学号_指导教师 职称 讲师日期 2016T1-30 目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 2\o"CurrentDocument"一、设计任务 3\o"CurrentDocument"1、设计对象参数 3\o"CurrentDocument"2、课程设计内容及要求 3\o"CurrentDocument"二、双闭环直流调速系统结构图 4\o"CurrentDocument"1、整流装置的选择 4\o"CurrentDocument"2、建立双闭环调速系统原理结构图 4\o"CurrentDocument"三、电流环和转速环的工程设计 5\o"CurrentDocument"1、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图 5\o"CurrentDocument"2、电流环设计 62.1电流环结构框图 6电流调节器结构的选择 6电流调节器参数的计算 7\o"CurrentDocument"3、转速环的设计 93.1转速环结构框图 93.2转速调节器结构的选择 9转速调节器的参数计算 10\o"CurrentDocument"三、双闭环控制系统仿真 111、系统仿真模型 11\o"CurrentDocument"2、动态性能分析 14四、总结 16\o"CurrentDocument"参考文献 17摘要本设计通过分析直流电动机双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。最后用MATLAB软件中的Simulink模块对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。关键词：直流电动机 双闭环MATLAB/Simulink仿真一、设计任务1、设计对象参数系统中采用三相桥式晶闸管整流装置；基本参数如下：直流电动机：220V,136A,1500r/min,Ce=0.15V/(r.min-1),允许过载倍数1.5。晶闸管装置：Ks=50电枢回路总电阻：R=0.6Q时间常数：Tl=0.03s,Tm=0.2s反馈系数：a=0.007V/(r.min-1)，卩=0.05V/A反馈滤波时间常数：Toi=0.002s,Ton=0.002s2、课程设计内容及要求建立双闭环调速系统的模型；绘出结构图。电流环和转速环的工程设计。2.3利用Simulink建立仿真模型(须有较为详细的建模过程说明)，并分析系统的动态性能。调试分析过程及结果描述。列出主要问题的出错现象、出错原因、解决方法及效果等；总结。包括课程设计过程中的学习体会与收获等内容。

二、双闭环直流调速系统结构图1、整流装置的选择转速调节器与电流调节器串级联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制三相桥式晶闸管整流装置。目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示。图1三相桥式全控晶闸管整流装置2、建立双闭环调速系统原理结构图转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用PI调节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，单闭环系统就难以满足要求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在系统中起作用，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）连接，如图2所示。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；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。MLTEnTG外环莎V丹£TA内环ACRMLTEnTG外环莎V丹£TA内环ACRASR图2直流电动机双闭环控制系统的原理结构图三、电流环和转速环的工程设计1、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图

2、电流环设计2.1电流环结构框图图3图3电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图3可以看出，采用I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因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I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：W (s)ACRK(W (s)ACR ii—Tsi式中K——电流调节器的比例系数；iT——电流调节器的超前时间常数。i为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择图4图4T=Til则电流环的动态结构框图便成图4所示的典型形式，其中：电流调节器参数的计算1）确定时间常数1） 整流装置滞后时间常数Ts。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间T=0.0017ss。2） 电流滤波时间常数Toi。根据初始条件有Toi=0.002s。3）电流环小时间常数之和Tio按小时间常数近似处理，取=0.00.0037。表1各种整流电路的失控时间（f二50HZ）整流电路形式最大失控时间T（ms）平均失控时间T（ms）S单相半波s^max2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.672）选择电流调节器结构根据书本设计要求&<5%，并保证稳态电压无差，按典型I型系统设i计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数：ACR TSi检查对电源电压的抗扰性能：T/T二0.03s0.0037=8.8.1,参照表2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系T、 Tw?=—二一r2 t212030ACmaxX100%q55.5%33.2%18.5%12.9%UT2.83.43.84.0tJT14.7第7页（21.7共18页）28.730.43）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：e=T=0003s。电流开环增益：书本要求°i-5%时，按表3,取Kili=0.5，因此疋0.5 0.5 1351K= = =135.1s-1IT0.0037s工i于是，ACR的比例系数为：KeR135.1x0.03x0.6K=—^-i= =0.9750x0.05i50x0.05s表3典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比g1.00.80.7070.60.5超调里b0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间t006.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp008.3T6.2T4.7T3.6Tp相角稳定裕度Y76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率w c 0.243/T0.367/T0.455/T0.569/T0.786/T4）校验近似条件电流环截止频率：w=K=135.1s-1ci I= =196.1s-= =196.1s-i>w3T 3x0.0017s ci忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3 =3x =38.73s-1<w满足近似条件。 Tmri '°2sx0.03s ci电流环小时间常数近似处理条件3*0.0017sx0.002s-盹如>o3*0.0017sx0.002s-盹如>oc满足近似条件。 3vrTTsoi

3、转速环的设计3.1转速环结构框图a//?仁>$+1电流环经简化后可视作转速环的一个环节，电流环的闭环传递函数W (s)为cliW (a//?仁>$+1电流环经简化后可视作转速环的一个环节，电流环的闭环传递函数W (s)为cliW (s)cliKs(Ts+1)IU(s)/0 1+Ks(Ts+1)i I Si忽略高次项，W(s)可降阶近似为cli1T 1 1Sis2+ s+1K KIIW(s)沁cli近似条件Si1Si1w<—cn3转速开环频率特性的截止频率。式中®校正后成典型转速开环频率特性的截止频率。式中®校正后成典型II型系统的转速环的动态结构框图如下接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*(s)，因此电流环在转速环i中应等效成1I(s) W(s) 0—d =—也 沁U；(s)" 1s+1KIcn这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数1K的一阶惯性环节。转速调节器的参数计算1)确定时间常数2)A:电流环等效时间常数1K•已取KT—0.5，fI IEi——2T1)确定时间常数2)A:电流环等效时间常数1K•已取KT—0.5，fI IEi——2T—2x0.0037s—0.0074sK EiB:转速滤波时间常数T•已知，T=0.02son onC:转速环小时间常数T1 EnT— +T—0.0074s+0.02s—0.0274sEnKon选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为W/s、—K(Ts+1)VW (s)—nnASR Ts计算转速调节器参数 n转速反馈系数«-1°V."n二O.°°7V-min/r按照跟随和抗扰性能的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为:T—hT—5X0.0274s—0.137sn 工n转速开环增益：K—h+1— s-2—159.8s-2N2h2T22X52X0.02742En于是，ASR的比例系数为“_(h+1)pCT6x0.05x0.15x0.2n 2haRT 2x5x0.007x0.6x0.0274En(4)检验近似条件转速环截止频率为Kn—Kt—159.8X0.137s-1—21.9s-1、oNn电1流环传递函数简化条件为o—

cn1)1【1351s-1—63.7s-1>oT3\0.0037 cn为i2)转速环小时间常数近似处理条件为K1：135.14— s-1—86.6s-1>T3\0.002on第10页(共18页)cn三、双闭环控制系统仿真1、系统仿真模型本设计运用MATLAB的Simulink来对系统进行模拟仿真。根据直流双闭环调速系统的实际动态结构框图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（1）建模过程说明1） 进入MATLAB直接键入simulink命令，打开Simulink模块浏览器窗口2） 打开模型编辑窗口：选择File—New—Model菜单项实现3）复制相关模块进入模型编辑窗口：将Source组中的Step（阶跃输入）模块、MathOperations组中的Sum（加法器）和Gain（增益）模块、Continuous组中的TransferFen（控制器）和Integrator（积分）模块、Sinks组中的Scope

4）模块链接,如下图0.002sMGains0.050.002sfr1T「ansferFcn4回Mdianlii_ilT_ian®囤dianliuliuan%dianliuhuanFileEditViewDisplayDiagramSimulationAnalysisCodeToolsHelp4）模块链接,如下图0.002sMGains0.050.002sfr1T「ansferFcn4回Mdianlii_ilT_ian®囤dianliuliuan%dianliuhuanFileEditViewDisplayDiagramSimulationAnalysisCodeToolsHelp(T)Didyoumeantoscroll?Toscroll/pan,pressthemiddlemousewheelanddraaMoreinformation.TransferFcn3Q㈤Q・ ©▼oTo5ScopeTransferFenGainlIntegrator!SaturationTransferFcn10.60.2s>O501.670.001310.03MTransferFcn25）修改模块参数：双击各模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块参数。详见教材P51-P54.各模块参数修改见下图：

2）电流环动态仿真模型及仿真曲线1）电流环动态仿真模型：2）电流仿真曲线：系统运行，得到系统电流仿真曲线3）双闭环直流调速系统动态仿真模型及仿真曲线1）双闭环直流调速系统动态仿真模型：

2）双闭环直流调速系统仿真曲线系统运行，得到双闭环直流调速系统仿真曲线3001.41.60英田［D曰占口系统运行，得到双闭环直流调速系统仿真曲线3001.41.60英田［D曰占口O图形-Scope文“）时（E）*«（V）*A（Dm（D啊B）CH1（Q）.口他）25020016C>ih-1002、动态性能分析双闭环直流调速系统突加给定电压U时由静止状态起动时，转速和电流的动态过n程图如上图所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成了图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段（0〜t）是电流上升阶段。突加给定电压U*后，经过两个调节器的1n跟随作用，U、U、I都跟着上升，但是在I没有达到负载电流I以前，电c d0 dddL动机还不能转动。当I>I后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不ddL会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压AU=U―U的数值仍较大，nnn其输出电压保持限幅值U「强迫电枢电流I迅速上升。直到I沁I，U沁U―imdddmiim电流调节器很快就压制了I的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASRd很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段（t〜t）是恒流升速阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转12速环相当于开环，系统成为恒值电流给的U*下的电流调节系统，基本上保持电im流I恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电d动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，U和U也必须基本上按线性增长，才能保持I恒定。ACR采用d0 cdPI调节器时，为了使其输出量按线性增长，其输入偏差电压AU=U*-U必须维iimi持一定的恒值，也就是说，I应略小于I。此外，为了保证电流环的这种调节ddm作用，在起动过程中ACR不应饱和，电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地。第III阶段（t以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值n*=n时，转速20调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*,im所以电动机仍在加速使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*和I很快下降。但是，只要I仍大于负载电流I，转速就idddL继续上升。直到I二I时，转矩T=T，则dndt二0，转速n才到达峰值（t=tddL eL 3时）。此后电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在t~t时间内，IVI,3 4 ddL直到稳定。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使I尽快的跟随给定值U，即电流内环是一个电流随di动子系统。综上所述，直流双闭环调速系统的起动过程的特点是：1） 饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单的用线性控制理论来分析整个起动过程。2） 转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。3） 准时间最优控制。在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程1、11两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动过程还有一些差距，不过这两个阶段只占全部起动时间中的很小一部分，可称作“准时间最优控制”。四、总结本次课程设计是电力拖动自动控制系统——运动控制系统这门课的一次课程设计，主要目标是设计一个符合要求参数的直流双闭环调速系统。电力拖动自动控制系统——运动控制系统这门课是我们自动化专业的一门综合性非常强的课程，它综合了之前学习过的模拟电子技术、自动控制原理、电力电子技术及电机拖动技术等课程的很多知识点，所以，本次课程设计也是对以前课程的一次梳理和升华。本次课程设计我受益良多，本课程设计的要点是设计转速和电流调节器，通过查阅大量的书籍专业网站、论坛的方式，找寻所需资料，反复比对研究有关资料，最后按照调节器的工程设计方法的基本思路，简化问题，突出主要矛盾。先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。先设计内环——电流调节器，然后把电流环看作转速调节器的一个环节，再设计转速调节器，完成设计要求。在此过程中，我进一步深化了对这门课程课本所学知识的理解，通过实际设计系统，锻炼了我应用理论知识解决实际问题的能力，是对我综合素质的一次提高。参考文献[1]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2009[2]李国勇等.计算机仿真技术与CAD.北京：电子工业出版社，2008[3]王正林等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真，电子工业出版社，2012[4]涂植英等.自动控制原理.重庆大学出版社,2005[5]黄文梅等.系统仿真分析与设计.湖南：国防科技大学出版社，2001直流电动机双闭环控制系统（组员分工表）（组长）庞超明双闭环调节器的工程设计及系统仿真刘翔宇双闭环系统各组成部分电路方案设计何嘉诚双闭环调速系统的模型及结构图设计黄程双闭环系统动态性能分析目录第一章总论 错误！未定义书签。第一节项目背景 错误！未定义书签第二节项目概况 错误！未定义书签第二章项目建设必要性 错误！未定义书签第三章市场分析与建设规模 错误！未定义书签第一节汽车市场需求分