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1、 课题课题：一、单闭环直流调速系统的设计与一、单闭环直流调速系统的设计与 Matlab 仿真（一）仿真（一） 作作 者者： 学学 号号： 专专 业业： 班班 级级： 指导教师指导教师： 摘摘 要要 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，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例 调节器的负反馈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部分可控电源、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，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速 系统的最优模型，然
2、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，在稳定的基础上，进行整定以 达到设计要求。 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。 摘摘 要：要：Matlab 开环 闭环负反馈 静差 稳定性 V-M 系统 目 录 摘要摘要2 1、设计任务设计任务4 1、已知条已知条 件件 4 2、设计要求、设计要求 4 二、方案设计二、方案设计5 1、系统原理系统原理5 2、控制结构图控制结构图6 三、参数计算三、参数计算7 四、四、PIPI 调节器的设计调节器的设计 9 五、五、系统稳定
3、性分析系统稳定性分析 11 六、小六、小 结结12 七、参考文七、参考文 献献13 1、设计任务设计任务 1 1、已知条件、已知条件 已知一晶闸管-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=2.2KW，nnom=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 系统电枢回路总电 感 L=40mH，拖动系统运动部分飞轮力矩 GD2=1.5N.m2，测速发动机 为永磁式，ZYS231/110 xi 型，整流触发装置的放大系数 Ks=44，三 相桥平均失控时间 Ts=0
4、.00167s。 2 2、设计要求：、设计要求： （1）生产机械要求调速范围 D=15 （2）静差率 s5%， （3）若 U*n=10V 时，n=nnom=1500r/min，校正后相角稳定裕度 =45o，剪切频率 c35.0rad/s，超调量 30%，调节时间 ts0.1s 2 2、方案设计方案设计 1、控制原理、控制原理 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 转速为反馈量，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： 图 1、单闭环直流调速系统原理图 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 信号反馈到输入端，再与给定值比较
5、，经放大环节产生控制电压， 再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的 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给。 所以，更具体的原理图如下： 图 2、单闭环直流调速系统具体原理图 2、控制结构图、控制结构图 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
6、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。 所以，可以得到如下的框图： 图 4、单闭环直流调速系统动态结构框图 三、参数计算：三、参数计算： 根据已知参数计算如下： 1、为了满足 D=15，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降为： min/26 . 5 min/ )05 . 0 1 (15 05. 01500 )1 ( rr sD sn n N cl 2、根据，求出系统的开环放大系数 cl n 先计算电动机的电动势系数 rV r V n RIU C N aNN e min/1383 . 0 min/1500 ) 15 .12220( 则开环系统额定速
7、降为 min/11.262min/ 1383 . 0 9 . 2 5 . 12 rr RI n ce N op 闭环系统的开环放大系数应为 83.48183.491 26 . 5 11.262 1 cl op n n K 3、计算测速反馈系数： Un=k-Un Un*-Un=Un 带入已知条件 K=，Un*=10V 得 Un=9.8V83.48 所以反馈系数 a=0.0065 nnom Un 1500 8 . 9 4.计算运算放大器的放大系数和参数 6 . 23 440065 . 0 1383 . 0 83.48 s e p K KC K 实取 6 . 23 p K 按运算放大器参数，取KR4
8、0 0 则 KKRKR p 94540 6 . 23 01 5.反馈电压 VVnU Nn 75 . 9 0065 . 0 1500 6系统中各环节的时间常数： 电磁时间常数 s R L Tl0138 . 0 9 . 2 04 . 0 电机时间常数 ss CC RGD T me m 0635 . 0 1383 . 0 30 1383 . 0 375 9 . 25 . 1 375 2 对于三相桥式整流路，晶闸管装置的滞后时间常数为 sTs00167 . 0 为保证系统稳定，开环放大系数的稳定条件 =Kcr75.42 00167 . 0 0138. 0 00167 . 0 )00167. 00138
9、. 0(0635. 0)( 2 2 sl sslm TT TTTT K 按稳态调速性能指标要求KKcr，因此，此闭环系统是不稳定的。 四、四、PIPI 调节器的设计调节器的设计 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 ) 1)(1( )( 2 sTsTTT K sW mlms 由上已知在这里，sTssT ms 0635 . 0 0138 . 0 T00167 . 0 l lm TT4 因此分母中的二次项可分解成两个一次项之积，即1 2 sTsTT mlm ) 10203 . 0 )(10432 . 0 (10635 .
10、 0 0008763. 01 22 sssssTsTT mlm 则闭环的开环放大系数取为 80.48 1383. 0 0065 . 0 44 6 . 23 e sp C KK K 于是，原始闭环系统的开环传递函数是 W(s)= ) 10167 . 0 )(10203 . 0 )(10432 . 0 ( 8 . 48 SSS 三个转折频率分别为：W1=1/T1=1/0.0432=23.1 1 s W2=1/T2=1/0.0203=49.3 1 s W3=1/T3=1/0.0167=600 1 s 利用 margin 命令函数 n1=0 48.8; d1=0.0432 1; s1=tf(n1,d1
11、); n2=0 1;d2=0.0203 1;s2=tf(n2,d2); n3=0 1;d3=0.00167 1;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图 而 20lgK=20lg48.8=33.77dB 因为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，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为 sK sK sW K p pi pi p 1 )( 1 21 1 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 lg20)(lg20lg40lg20lg20 c cc K 所以 11 211
12、 74.235 3 . 49 1 . 238 .48 ssK c 取dBss T sTK ccpi 30LL,40, 3 . 49 1 ,0432 . 0 21 1 2 1 2 21 则取为了使 所以75 . 0 6 . 31 6 . 23 K, 6 .23K, 6 .31,30lg20 pip Pi p pi p K K dB K K 所以已知 0576 . 0 75 . 0 0432 . 0 1 pi K T 于是，PI 调节器的传递函数为 s s sWpi 0576 . 0 10432 . 0 )( 最后，选择 PI 调节器的阻容参数。已知，则KR40 0 FKKRKR pi 44 .
13、1 40 0576 . 0 R CK30R304075 . 0 0 1101 ，取 那么校正后的动态图如下： 五、系统稳定性分析五、系统稳定性分析 由 Simulink 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： 相角裕度 =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
14、,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 握的自动控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控制的基本工作原理， 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 尚存在很多缺点和不足，希望老师批评指正。 设计过程中，涉及的 MATLAB 仿真技术，使自控原理中的各参 数得以更直观的反映，更重要的是 MATLAB 为系统设计与整定提供 了一个十分强大而简便的工具，帮助我们解决了复杂运算、测绘等 问题，使设计者更加集中精力解决相关的控制问题，也使控制过程 的脉络更加清晰。 七、参考文献七、参考文献 1 电力拖动控制系统 陈伯时 2 自动控制原理 胡寿松 3 控制系统 Matlab 计算及仿真实训 4 电力电子及其变流技术 黄俊
