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1、止人学泰皇岛今嘰Northeastern University at Qinhuangdao东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真学 生：张海松专 业：自动化班级学号：指导教师：王立夫设计时间：2012年6月27日东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计任务书专业：自动化 班级:509学生姓名:设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真一、设计实验条件实验设备：PC机二、设计任务直流电机额定电压UN二220V，额定电枢电流IN = 136A，额定转速nN = 1460rpm，电 枢回路总电阻Ra = 0.5Q，电感La =
2、 0-012H，励磁电阻Rf = 240。，励磁电感Lf =120H， 互感Laf = 1.8H，Ce二0.132Vmin/r，允许过载倍数九=1.5。晶闸管装置放大系数：K, = 40, 时间常数：T = 0.03s， T = 0.18slm设计要求：对转速环进行设计，并用Matlab仿真分析其设计结果。目录绪论11. 转速单闭环调速系统设计意义12. 原系统的动态结构图及稳定性的分析2转速负反馈单闭环控制系统组成2转速负反馈单闭环控制系统的工作原理33. 调节器的选择及设计3调节器的选择3PI调节器的设计4lab 仿真及结果分析7simulink实现上述直流电机模型7参数设置并进行仿真7结
3、果分析155课设中遇到的问题166.结束语17参考文献17转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真绪论直流电动机由于调速性能好，启动、制动和过载转矩大，便于控制等特点，是许多 高性能要求的生产机械的理想电动机。尽管近年来，以变频器为核心的高性能交流调速 技术不断普及，在许多调速要求指标不高的场合下广泛应用，大有取代直流电机调速的 势头，然而，直流调速毕竟在理论和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它是 交流调速的基础，交流调速的许多思想和方法都源自直流调速。数字仿真是研究高性能电机控制系统的重要一环。为了设计出品质优良的电机控制 系统，首先要对电机控制系统进行分析和试验。电机控制系统的数字仿真
4、就是将电机控 制系统的数学模型放到计算机上进行试验的技术，以获得研究系统所必须的信息.是一 种既经济又安全的试验方法。本文对单闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真进行了 探讨，着重于模型的搭建以及参数的调试。1. 转速单闭环调速系统设计意义为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统 和多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则 采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环 系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力， 但直流电动机开环系统稳态性能不能满足
5、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，可用积分调节器代替 比例调节器.反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负反馈 信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提 高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速 这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。2. 原系统的动态结构图及稳定性的分析转速负反馈单闭环控制系统组成转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。一，只 用比例放大器的
6、反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。二，反馈控制系统的作用是： 抵抗扰动，服从给定。三，系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。图是用集成电路运 算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统。RP2图转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图ASR是调节器，当其选用P调节器时,就是一个有静差的单闭环调速系统;当其选用PI 调节时，就是一个无静差的调速系统;GT是触发器装置;V是由电力电子器件组成的变换 器,其输入接三相（或单相）交流电，输出为可控的直流电压U ;TG是测速发电机，它与电 d动机同轴安装。R是给定电位器，通常由一个稳压电源供电，以保证给定信号U*的精度。 pln与 T
7、G相串联的电位器R是为获得调速负反馈系数而设置的一个电位器。已知测速发电 p2机输出电压U与电动机M的转速n成正比，即有U =C n，式中C为直流永磁式发电机 tgtgnn的电动势常数。假设电位器R的分压系数为K，则反馈电压U*= KU = KC n , p2fnf tgf n式中a称为转速负反馈系数。转速负反馈单闭环控制系统的工作原理引入转速负反馈信号以后，放大器的输入信号是给定信号U *和反馈信号U之差，nn即得到转速偏差AU = U* -U。经过发达器ASR产生V所需要的控制电压U ,V的输出nnnct则为空空的直流电压U，该电压即是直流电动机等效电路的主回路电压，用以控制直流 d电动机
8、的转速n ,从而构成转速负反馈控制的单闭环直流调速系统。根据闭环控制规律，当电动机负载R增加时，转速n则降低，反馈电压U值将减小，偏差AU二U* - U将增Lnnn n大，控制电压U增大,V输出的直流电压U增大,则电动机的转速上升，最终回到原来的 cd运行速度，维持转速恒定。上述调节过程如下：R Tt n It U It AU Tt UIt U Tt n TLnnctd3. 调节器的选择及设计调节器的选择在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况， 这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性 和稳态性能指标两方面要求。动态校正的方法
9、很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯 一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简 单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次 较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有PD、PI和PID三种类型。由于PD调节器构成的超前校正，可提高 系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI调节器构成的 滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的，用PID调节 器实现的滞后和超前校正则有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现
10、与调试要复杂一些。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求 差一些，所以采用PI调节器。如图所示。ASR T T*Eio十X.- =!L十L1?0Un图比例积分（PI）调节器线路图PI调节器的设计已知系统为不稳定的。设计PI调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。已知参数：直流电机额定电压 UN = 220V，额定电枢电流IN = 136A，额定转速nN = 1460rpm，电枢回路总电阻Ra = 0.5 Q，电感La = 0.012H，励磁电阻Rf = 2400，励磁电感Lf = 120H，互感Laf = 1.8H，Ce = 0.132Vmin/r，允许过载倍数九=1
11、.5。晶闸管装置放大系数：K = 40，时间常数：Tl = 0.03s，T= 0.18slm设计过程:已知晶闸管放大系数：K = 40 设计反馈系数按给定电位器U* = 12V对应期望的输出转速n二1460rpm设计反馈系数，有na = 2 = 0.008n 1460 测速发电机反馈电位器的整定a0.008 csa = 二 二 0.0612 C 0.132e 运算放大器放大系数的确定K 二 K K a C = K 40 0.008 0.132 二 2.424 KP S epp PI调节器传递函数的确定为了使系统稳定设置PI调节器，考虑到原始系统中包含了放大系数为尺戶的比例调 节器，现在换成PI
12、调节器，它的传递函数应为:W (s) = KpiP Ts式中，Kp二R1 RS为积分时间常数。0 系统开环传递函数的确定已知工频电源的平均延迟时间T二0.00167s ,电磁时间常数T二0.03s,机电时间常数 slT二0.18s，则系统固有部分的开环传递函数为m校正环节K kW (s) = P - s(T s +1)s40 0.00167s +140 0.00167s +11Cea(T Ts2 + T s +1) mlm1 0.1320.0054s 2 + 0.18s +17.576-0.008-0.008(0.142 s +1)(0.038 s +1)2.424_ (0.00167s +1
13、)(0.142s +1)(0.038s +1)将固有特性按KT = 0.5校正成典型I型系统，取校正环节的时间常数T=0.142，则校正装置的零点与最大时间常数的极点对消，系统的开环传递函数为17.07W(s)=亍(0.00167s +1)(0.038s +1)之后将看成小惯性群，简化后的小惯性环节时间常数T 二 0.00167 + 0.038 二 0.03967简化后的系统为二阶系统，开环传递函数为17.07KW二 s - (0.03967s2 +1)二阶系统分别由时间参数和震荡参数表示时，有W=-= 兰.s -(Ts +1)s -(s + 叱)s -(亠 s +1)23n1T = -。按二
14、阶最佳工程参数设计系统时,阻尼比:= 2n1巨，超调量为b = 4.3%，此时1C KT =弋-=0.5兀2n将 K 二 17.07K ,T 二 0.03967 带入上式，得PK 二 12.604, K 二 0.738PR由 K = = 0.738 , t = RC = 0.142，选定R = 40K0时,计算得 p R0图(b)等效的动态结构图校正后系统的动态结构图校正后系统的动态结构图如图所示。1/R+|0.142 s +1C407.5760.192 s0.00167 s +10.0054s 2 + 0.18 s +1仿真及结果分析simulink实现上述直流电机模型1/R1+1Ce参数设置并进行仿真设置：阶跃信号st ep
