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1、1 内蒙古科技大学课程设计任务书内蒙古科技大学课程设计任务书 课程名称 控制系统仿真 设计题目 转速闭环控制的直流调速系统仿真 指导教师 时间 一、教学要求 1、直流电机调速系统的基本工作原理； 2、通过对直流电机调速系统的建模，掌握使用 Matlab/Simulink 软件及 Power System 工具 箱对直流调速系统的建模与仿真方法； 3、理解直流调速系统中，开环、转速单闭环及带电流截止副反馈的转速单闭环调速系统的工 作原理，理解以上系统的启动过程电流、转矩、转速的变化，以及调速过程中转矩与转速的 关系。 二、设计资料及参数 设计资料详见电力电子与电力拖动控制系统的 Matlab 仿
2、真 （洪乃刚主编）6.2.1-6.2.2 节； 本设计涉及到的控制原理、电力拖动自动控制系统等内容参考相关专业课教学内容。 设计参数：见电力电子与电力拖动控制系统的 Matlab 仿真 （洪乃刚主编）6.2.1-6.2.2 节； 三、设计要求及成果 1、利用 Simulink 及 Power System 工具箱建立直流电动机转速单闭环系统模型，并仿真； 2、利用 Simulink 及 Power System 工具箱建立带电流截止副反馈的直流电动机转速单闭环系 统模型，并仿真； 3、分析以上仿真中，启动过程电流、转矩、转速的变化，以及调速过程中转矩与转速的关 系。通过示波器观察仿真结果，并结
3、合电力拖动自动控制系统课程中的内容验证仿真的正确性; 4、撰写不少于 3000 字的设计报告。 设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几 个部分，要求给出设计模型图以及仿真结果图。相关 Matlab/Simulink 设计文件要求提交电子文 档。 2 四、进度安排 收集和查阅资料（一天） Matlab/Simulink 建模（两天） 控制系统设计与优化（一天） 编写技术设计书（一天） 五、评分标准 课程设计成绩评定依据包括以下几点：1）工作态度（占 10%） ；2）基本技能的掌握程度（占 20%） ；3）方案的设计是否可行和优化(40%)；4）课程设计技
4、术设计书编写水平(占 30%)。分为 优、良、中、合格、不合格五个等级。 考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计报告。 六、建议参考资料 1、 控制系统数字仿真与 CAD ，李国勇，电子工业出版社，2003 年 9 月第 1 版 2、 电力电子与电力拖动控制系统的 Matlab 仿真,洪乃刚，机械工业出版社，2006 年 5 月 第 1 版 3、 电力拖动自动控制系统 ，陈伯时，机械工业出版社，1991 年，第 2 版 4、 自动控制原理上、下册，吴麒，清华大学出版社，1994. 5 第 1 版 3 目录目录 课程设计任务书课程设计任务书1 1 题目题目4 4 引言引言4 4 第第 1 1
5、章转速闭环控制的直流调速系统仿真模型的建立章转速闭环控制的直流调速系统仿真模型的建立4 4 1.11.1、仿真任务、仿真任务 4 4 1.21.2、仿真模型参考参数、仿真模型参考参数 4 4 第第 2 2 章转速闭环控制的直流调速系统的仿真章转速闭环控制的直流调速系统的仿真5 5 2.12.1、带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真 5 5 2.1.12.1.1、带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真模型的建立带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真模型的建立 6 6 2.1.22.1.2、带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真波形及分析带转速负反馈的有静差直流调速系
6、统仿真波形及分析 7 7 2.22.2、带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真、带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真1010 2.2.12.2.1、带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真、带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真模型模型建立建立 1111 2.2.22.2.2、带电流截止负反馈的转速单闭环调速带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真系统仿真波形分析波形分析 1111 第第 3 3 章章 心得体会心得体会1313 参考文献参考文献 1414 4 转速闭环控制的直流调速系统仿真转速闭环控制的直流调速系统仿真 引言引言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速
7、，并且直 流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。而且 MATLAB 软件对直流调速系统进行虚拟环境下的仿真研究，不仅使用方便，也大 大降低了研究成本。 晶闸管-直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实 现调速，但是存在两个问题，全电压起动时起动电流大；转速随负载变化 而变化，负载越大，转速降落越大，难于在负载变动时保持转速的稳定而满足 生产工艺的要求。为了减小负载波动对电动机转速的影响，可以采取带转速负 反馈的闭环调速系统，根据转速的偏差来自动调节整流器的输出电压，从而保 持转速的稳定。 第第1 1章章 转速闭环控制的直流调速系统仿真模型的建立转速闭环
8、控制的直流调速系统仿真模型的建立 1.11.1、 仿真任务仿真任务 已知直流电动机额定参数为 Unom=220V，Inom=136A,nnom=1460r/min 四级，Ra=0.21，GD =22.5N m 。励磁电压 Uf=220V，励磁电流 If=1.5A。采 用三相桥式整流电路，设整流器内阻 Rrec=0.5。平波电抗器 Ld=20mH。 1.21.2、 仿真仿真模型参考参数模型参考参数 表 1.1 直流电动机闭环调速系统模型参数 模块 参数名 参数 5 三相电源 （ua,ub,uc） Peak amplitude/V 130* sqrt (2) Frequency/Hz 50 直流电
9、动机 （DC Machine） 电枢电阻 Ra/ 0.21 电枢电感 La/H 0.00021 励磁电阻 Rf/ 146.7 励磁电感 Lf/H 0 磁场与电枢互感 Laf/H 0.84 转动惯量 J(kg m ) 0.57 平波电抗器（Ld） 电感 inductance/H 0.01 转速反馈系数(n-feed) alpha 0.0067 放大器(Gain1) Kp 20(按需要调节) 饱和限幅 (Saturation1) Upper limit 10 Lower limit -10 第第2 2章章 转速闭环控制的直流调速系统的仿真转速闭环控制的直流调速系统的仿真 2.12.1、 带转速负反
10、馈的有静差直流调速系统带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真仿真 带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构如图 2.1 所示。系统由转速 给定环节 Un *、放大器 Kp、移相触发器 CF、晶闸管整流器和直流电动机 M、测 速发电机 TG 等组成。该系统在电动机负载增加时，转速将下降，转速反馈 Un 减小，而转速的偏差 Un 将增大( Un= Un *-Un)，同时放大器输出 Uc 增加， 并经移相触发器使整流器输出电压 Ud 增加，电枢电流 Id 增加，从而使电动机 电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负载增加造成的转速降。带转速负反 馈的直流调速系统的稳态特性方程为 n=KpKsUn*/Ce(
11、1+k)-RId/ Ce(1+k) 6 图 2.1 带转速负反馈的有静差直流调速系统组成 电动机转速降为 n=RId/ Ce(1+k)，式中，K=KpKs /Ce；Kp 为放大器放大倍 数；Ks 为晶闸管整流器放大倍数；Ce 为电动机电动势常数； 为转速反馈系 数；R 为电枢回路总电阻。 从稳态特性方程可以看到，如果适当增加放大器的放大倍数 Kp，电动机的 转速降 n 将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说，在负载变化时， 电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍 数过大，也可能造成系统运行的不稳定。转速负反馈的有静差直流调速系统的 仿真模型如图 2.2 所示，
12、图中 un*(Un*)为转速给定，n-feed 为转速反馈，Gain 为放大器，Saturation 为反映放大器输出限幅的饱和特性模块，饱和限幅模块 的输出是移相触发器的输入 Uc，其中转速反馈直接取自电动机的转速输出，没 有另加测速发电机，取转速反馈系数 =Un*/nN。 2.1.12.1.1 转速负反馈的有静差直流调速系统的仿真模型的建立转速负反馈的有静差直流调速系统的仿真模型的建立 7 图 2.2 转速负反馈的有静差直流调速系统的仿真模型 2.1.22.1.2 转速负反馈的有静差直流调速系统的仿真波形转速负反馈的有静差直流调速系统的仿真波形及及分析分析 在额定转速 Un*=10,Kp=
13、5、10、20 时的转速响应曲线分别如图 2.3a、b、c 所示，随着放大器放大倍数的增加，系统的稳态转速提高，即稳态转速降减 小。图 2.3d 所示为 Kp=20 时的电流响应波形，从波形可以看到，由于没有电流 的限制措施，在起动过程中电流仍很大，可达 370A 左右。图 2.4c、d 是 1/2 额 定转速(Un*=5)时的转速响应曲线，以 Kp=10 和 200 两种情况比较，在 Kp=200 时，稳态转速降减小，但是调节过程中的震荡次数增加，这从相应的移相控制 信号变化也可以看到相同的情况(见图 2.4a，b)，由于晶闸管整流器控制的非 线性，其输出电压只能在 0-Udmax 范围内变
14、化，尽管放大倍数很高，转速还没 有出现严重的不稳定现象。 8 图 2.3a Kp=5 时的转速响应曲线 图 2.3b Kp=10 时的转速响应曲线 图 2.3c Kp=20 时的转速响应曲线 9 图 2.3d Kp=20 时的电流响应曲线 图 2.4a 转速给定 Un*=5、Kp=10 时的移相控制信号 Uc 的波形 图 2.4b 转速给定 Un*=5、Kp=200 时的移相控制信号 Uc 的波形 10 图 2.4c 转速给定 Un*=5、Kp=10 时的转速响应曲线 图 2.4d 转速给定 Un*=5、Kp=200 时的转速响应曲线 2.22.2、 带电流截止带电流截止负反馈的负反馈的转速单
15、闭环转速单闭环调速系统调速系统仿真仿真 为了限制电动机的起动电流，可以在转速负反馈系统的基础上增加电流 截止负反馈的措施。带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真模型如图 2.5 所示，模型在图 2.2 的基础上增加了由电流反馈 i-feed 和死区 Dead Zone 模块组成的电流截止环节。在电流反馈信号小于 Dead Zone 模块的死区时间值 时，Dead Zone 模块没有输出，电流截止负反馈不起作用。当电流反馈信号大 于 Dead Zone 模块的死区时间值时，Dead Zone 模块的输出抵消了一部分转速 11 的给定信号 Un*,使电流减小。电流反馈 i-feed 模块参数 beta 取 0.0735，其他 模块参数与图 2.2 模型相同。 2.2
