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1、黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 1 -黑龙江东方学院本科生毕业设计（论文）开题报告题目：工程设计方法在直流调速系统中的应用 (电流双闭环直流调速系统工程设计)学 部：计算机专 业：电气工程及其自动化班 号：学 生： 指导教师： 黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 2 -目 录目录. .2摘要. .2一. 概述.2二. 设计任务及要求.32.1 设计任务.42.2 设计要求：.4三. 理论设计.43.1 方案论证.53.2 系统设计.53.2 电流调节器设计53.2.1 电流环结构框图的化53.2.2 确定时间常数.63.2.3 选择电流调节器结构.63.2.4 计算电流调节器参数.63
2、.2.5 校验近似条件.63.2.6 计算调节器电阻和电容.73.3 速度调节器设计.83.3.1 确定时间常数.83.3.2 选择转速调节器结构.93.3.3 检验近似条件.103.3.4 计算调节器电阻和电容.103.3.5 校核转速超调量.10四. 系统建模及仿真实验.114.1 MATLAB 仿真软件介绍.114.2 仿真建模及实验.114.3 双闭环仿真实验134.4 仿真波形分析16 4.4 抗扰性能分析17五. 实际系统设计及原理.185.1 实验过程.18黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 3 -5.11 实验内容.185.12 实验步骤.18六. 结论.18致谢.18参考文
3、献.18黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 4 -摘 要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。采用PI调节的单个转速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高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。双闭环直流调速系统是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获
4、得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流变化率内环的三环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 5 -出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制作的一些情况。关键词：MATLAB；直流调速；双闭环；转速调节器；电流调节器；干扰一、课程设计目的： 黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 6 -机电传动控制课程设计，是将机电传动控制系统理论课程的相关内容有 结合起来，使学生受到完整的设计过
5、程训练，使学生对电子、电机电气控制的 设计过程有全面的了解，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析问，题和解决实际工程问题的能力，培养学生的工程观念，将整个课程内容有机而 系统地结合起来。 通过多分部协调控制长网纸机电气传动系统的设计训练，应建立起电机传，动控制系统较完整的概念，包括自动控制系统的组成环节、信号传递、设计、计算以及仿真；掌握自动控制系统静态设计方法、动态校正方法； 1、掌握直流电机调速控制系统的设计，掌握数学模型建立方法。 2、初步掌握 MATLAB 软件的使用，及在 Simulink 功能模块中构建模型图的方法。 3、掌握计算机辅助设计在运动控制系统的应用。二、设计任务
6、及要求2.1 设计任务及主要技术参数压光分布传动电机选择的直流电动 Z -62 参数： 励磁方式为复励，励磁电流 0.965A，极对数为 2，额定功率 13KW，额定电压 230V，额定电流 47.8A，额定转速 1450r/m，Ce =0.132Vmin/r，允许过载倍数 =1.5。电枢电阻：R a=0.5 ,电枢回路总电阻：2Ra=1，要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压为 10V”用公式 =10V/*额定电流=0.14v/A,=10V/额定转速=0.007v min/s。黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 7 -晶闸管装置放大系数：K s =40时间常数：机电时间常数 Tm=0.1
7、8s，电磁时间常数 Tl=0.03s转速反馈滤波时间常数：T on=0.005s，电流反馈滤波时间常数：T oi=0.005s总飞轮力矩：GD =2.5N.m2设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。2.2 设计指标调速范围 D=10，静差率 S 5%稳态无静差，电流超调量 i 5%, 电流脉动系数 Si 10%启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n10 % 系统具有过流、过压、过载和缺相保护； 3课程设计主要内容3.1 控制方案设计按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环
8、,再设计电流变化率内环） 。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 8 -统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典
9、型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指括的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。双闭环直流调速系统的结构框图:图3.1 双闭环直流调速系统的动态结构图 ASR Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s) Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3、2 电流调节器的设计黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 9 -3.2.1 电流环结构框图的化简在图
10、 3.1 中的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给工作带来麻烦。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 远小于机lT电时间常数 Tm，因此，转速变化往往比电流变化慢的多，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 E0。这样，在按动态性能设计电流环是，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作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图3.2(a)所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是。式中 ci电流开环频率特性的截止频率。如果lmciT13把给定滤波
11、和反馈滤波两个环节都等效地转移到环内，同时把给定信号改成 ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图 3.2(b)(*sUi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。最后，由于 Ts 和 Toi 一般比 小得多，可以当做小惯性群而近似地看lT做是一个惯性环节，其时间常数为 = + 则电流环结构框图最终isToi黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 10 -化简成图 3.2(c)简化的近似条件是 ci1sToiACR 1sTKsoi1/sTRl)(sId 图 3.2(a)1sToiACR )1)(/sTRKlsS)(sId图 3.2(b)ACR )1)(/sTRKlSi图 3.2(c)
12、(a) 忽略反电动势的动态影响 (b) 等效成单位负反馈系统 (c) 小惯性环节近似处理3.2.2、电流调节器结构的选择从稳态要求上来看，希望电流无静差，希望得到理想的堵转特性，由图 3.2(c)可以看出，采用典 型系统就够了。由图 3.2(c)表黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 11 -明，电流控制对象是双惯性的，要校正成典 型，显然采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成= )(sWACR(1)iKs3.2.3 确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数 。按书 表 1-2，三相电路的平均sT1失控时间：=0.0017s sT(2) 电流滤波时间常数 。oi=0.005s oiT(
13、3) 电流环小时间常数之和 。按小时间常数近似处理，取为：i= + =0.0067s iTsoi3.2.4、选择电流调节器结构根据设计要求 5%，并保证稳态电流无差，可按典型 I 型系i统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI电流调节器，它的传递函数为：= )(sWACR(1)iKs检查对电源电压的抗扰性能：T l /Ti =0.03s/0.0067=4.48，参照表 2-3 的典 型系统的抗扰性能，各项指标都可以接受。黑龙江东方学院本科毕业设计（论文）- 12 -3.2.5、计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：= =0.03s。 ilT电流环开环增益：要求 5%是按书 表 2-2，应取1=0.5，因此： K I = 0.5 / Ti =0.5/0.0067 = 74.63 IiT于是，ACR 的比例系统为：K i =KI R / Ks=74.630.031 / i400.05=2.23 / 2 =1.153.2.6 校验近似条件
