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1、iHimta rji u i(jfi j|j| ka . w ZSiin-nHinr ajjjEiiiZr -lSbtSEERFANGTAN UN I VERS ITY控制系统设计课程设计报告书题目：带电流变化率内环的三环直流调速系统设计与实践学院:信息工程学院专业:自动化学生姓名:陈臻誉学生学号: 2012550413组员姓名:张凯林完成时间：2015年7月指导教师:李辉成绩评定：目录一、选题背景3二、题目要求32.1设计目的42.2设计内容42.3设计要求52.4电机拖动控制系统设计与仿真5三、方案论证5四、过程论述64.1电流调节器设计64.1.1确定时间常数64.1.2 选择电流调节器
2、结构74.1.3计算调节器电阻和电容84.2速度调节器设计84.2.1计算转速调节器参数84.2.2计算调节器电阻和电容94.2.3校核转速超调量9五、结果分析105.1利用MATLAB仿真软件系统建模及仿真实验及实验结果10双闭环仿真实验105.1.2双闭环调速系统调节参数115.1.3双闭环系统仿真模型135.1.4仿真波形分析145.2三闭环仿真实验16波形结果18六、课程设计总结19七、参考文献20带电流变化率内环的三环直流调速系统设计与实践一、选题背景本课题为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在V-M调速系统中设计 两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接
3、。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；转速环在外边，称作 外环，形成转速、电流双闭环调速系统。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。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保 持为最大值/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 dm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。应 该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只 要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。但是电流的超
4、调太大，影响电机， 导致电机转矩波动过大，容易损坏生产设备，利用晶闸管供电，整流装置采用三相 半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环。用电流变化率内环可 以抑制电流的变化，使电流趋于平缓，通过系统建模和仿真，用MATLAB/Simulink 工具分析设计直流电动机速度控制系统。二、题目要求自拟控制系统性能指标的要求，调速范围、超调量、动态速降、调节时间、 抗扰性能等。设计系统原理图，电流环的设计，转速环设计、电流变化率内环设 计，完成元器件的选择，计算选择合理调节器参数，并进行仿真或实验验证系统 合理性。2.1设计目的1. 通过对一个实用的带电流变化率内环的三环直流调速系统的设计、
5、安装、 调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新 能力进一步提升，使学生获得控制技术工程的基本训练。2. 通过系统建模和仿真，掌握用MATLAB / Simulink工具分析设计直流电 动机速度控制系统的方法。3. 进一步掌握各种直流调速系统的性能，尤其是动态性能。2.2设计内容1.理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带电流变化率内环 基本原理，解决积分调节器的饱和非线性问题；采用工程设计方法设计一个带 电压内环的三环直流调速系统（含主电路和控制电路，选择的元器件，系统的电 气原理图）。2仿真实践：根据所设计系统，利用MATLAB/Simulink建立各个
6、组成部分相 应的数学模型，并对系统仿真模型进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行 校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。3. 动手实践：根据所设计系统，完成单元电路安装、系统组装、单元及系 统调试（可利用实验台的某些挂件），得出实物实验波形和系统动、静态性能。4、设计要求 技术参数： 直流电动机：直流电动机：额定功率8KW,额定电压220V，额定电流2A， GD2=5.3N.m 额定转速 1600r/min，C =0.118Vmin/r，允许过载倍数久=1.5；e 晶闸管装置放大系数：K=30；S电枢回路总电阻：R=3Q；时间常数：机电时间常数T =0.1s，
7、m电磁时间常数：L=1.46U/I=1.46*132.8/（0.1 *4） = 482 mH T= L/R2 dminL=482*10-3/3=0.16S电流反馈系数：0 =1.5 V/A (10V/I10V/1.5I )；nomnom 转速反馈系数：a =0.0055Vmin/r (10V/n 10V/1.5n )；nomnom反馈滤波时间常数:T =0.02s, T =0.002s；onoi 电流变化率di/dt =101 /snom其它未尽参数可参阅教材中“工程设计方法举例”的有关数据。先设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装 置采用三相半波整流电路。并在此基础
8、上加入适当的电流变化率内环，观察电流 变化的快速性变化。电流变化率内环，一般采用积分调节器。2.3设计要求 调速范围D=10,静差率S W 5%；稳态无静差，电流超调量a W 5%,i电流脉动系数S W 10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量a W 10%，in空载起动到额定转速时的过渡过程时间t W 0.5s。s24电机拖动控制系统设计与仿真根据所提供电动机参数，画出带电压内环的三环直流调速系统结构图，根据 电流超调量、转速超调量等指标，用工程设计方法决定转速调节器、电流调节器 和电流变换率调节器结构与参数，并对该调速系统进行simulink仿真。三、方案论证根据所给出的参数及要求选择了
9、电流转速双闭环加上电流变化率内环，实现三闭环调速。要求符合直流电动机:额定功率8KW,额定电压220V，额定电流2A，GD2=5.3N.m额定转速1600r/min，C =0.118Vmin/r，允许过载倍数人=1.5等条e件。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,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
10、程设计的要求。 双闭环直流调速系统的结构框图：WASR(SU.1U*1WACR(S)*UcacrKVTs+1U1RT?s+1a *图3. 1双闭环直流调速系统的动态结构图四、过程论述4.1电流调节器设计411确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数T。按书也表1-2,三相电路的平均失控时间:s(2)电流滤波时间常数T。I电流环小时间常数之和T =0.0017ssT =0.002sl按小时间常数近似处理，取为:T = T + T =0.0037soi(3-1)(3-2)(3-3)4.1.2选择电流调节器结构根据设计要求gi -5%,并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流 调节器。电流环控制
11、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：W (s)=时 +1)(3-4)acrT si检查对电源电压的抗扰性能：0.160.0037=43.24(35)符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数:t i = T/=0.16s。1丄电流环开环增益：要求6 - 5%是按书也表22，应取KTy. =0.5,iI LlK =0.5 二 135.13i 0.0037(36)因此:(37)于是，ACR的比例系统为：K T 卩 _ 2 ” Ki =I = 2.22KsR(38)校验近似条件电流环截至频率:K = 74.63Ici
12、(39)晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：1 1=196.1s-1 .3T3 x 0.0017ci(310)s忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为:3 Tt = 30.01sX0.1s 二 94.87 ci 电流环小时间常数近似处理条件为：(311)3TT = 3气 0.0017sx0.002s 二180.88辺 cs Oi(312)4.1.3计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得R0 = 40KQ。 各电容和电阻值为：(2-13)(214)R1K =、T = RC、T 二-R Ci Rii i oi 40 oi0Ri=40kQ按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为 b i =4.3%3cn转速环外环的小时间常数近似处理条件为：(323)二 3 x腿二灯4s-1 %(324)N 2h2TZn22 x 25 x (0.0274)24.2.2计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取R =40 kQ。(325)(326)各电容和电阻值为：R 二 K x R = 15.6 x
