《直流电动机双闭环控制系统系统课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电动机双闭环控制系统系统课程设计（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课程设计题目学 院专业年级13自动化2班学生 庞超明 学号 2013133231指导教师 吴诗贤 职称 讲师日 期2016-11-30目录摘要 2一、设计任务 31、设计对象参数 32、课程设计容及要求 3二、双闭环直流调速系统结构图 41、整流装置的选择 42、建立双闭环调速系统原理结构图 4三、电流环和转速环的工程设计 51、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图 52、电流环设计 62.1 电流环结构框图 62.2 电流调节器结构的选择 62.3 电流调节器参数的计算 73、转速环的设计 93.1 转速环结构框图 93.2 转速调节器结构的选择 93.3 转速调节器的参数计算 10三、双闭
2、环控制系统仿真 111、系统仿真模型 112、动态性能分析 14四、总结 16参考文献 17摘要本设计通过分析直流电动机双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同 时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先 设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调 节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一 步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统 的动态性能。最后用MATLA软件中的Simulink模块对设计好的系统进行模拟仿真，得 出仿真波形。关键词 ： 直流电
3、动机双闭环 MATLAB/Simulink 仿真、设计任务1、设计对象参数系统中采用三相桥式晶闸管整流装置；基本参数如下：直流电动机：220V , 136A , 1500r/min , Ce=0.15V/( r.min-1)，允许过载倍数 1.5。晶闸管装置： Ks=50电枢回路总电阻：R=0.6Q时间常数： Tl=0.03s，Tm=0.2s反馈系数：a=0.007V/( r.min-1) , p=0.05V/A反馈滤波时间常数：Ti =0.002s, Tn=0.002s2、课程设计容及要求2.1 建立双闭环调速系统的模型；绘出结构图。2.2 电流环和转速环的工程设计。2.3 利用 Simul
4、ink 建立仿真模型 (须有较为详细的建模过程说明) ,并分析系统 的动态性能。2.4 调试分析过程及结果描述。 列出主要问题的出错现象、 出错原因、 解决方法 及效果等；2.5 总结。包括课程设计过程中的学习体会与收获等容。二、双闭环直流调速系统结构图1、整流装置的选择转速调节器与电流调节器串级联结，转速调节器的输出作为电流调节器的 输入，再用电流调节器的输出去控制三相桥式晶闸管整流装置。目前在各种整 流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示2 迁图i三相桥式全控晶闸管整流装置2、建立双闭环调速系统原理结构图转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直
5、流调速系统。采用PI调节的单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了。无静差。理想快速启动过程电流和转速为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm 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。所以，我们希望达到的 控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反 馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了 实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设置两个调节器， 分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈
6、和电流负反馈。 二者之间实行嵌套（或 称串级）连接，如图2所示。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 作环；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图2直流电动机双闭环控制系统的原理结构图三、电流环和转速环的工程设计1、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图吃流内环2、电流环设计2.1电流环结构框图叭*ACR叫0S畑+1)图32.2电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图3可以看出，采用I型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢 电流在突加控
7、制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许 值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。 为此，电流环应以跟 随性能为主，即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成：WACR ( S)Q iS 1)iS式中 Ki 电流调节器的比例系数；i电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择i Ti则电流环的动态结构框图便成图 4所示的典型形式，其中:图42.3电流调节器参数的计算(1)确定时间常数1)整流装置滞后时间常数 Ts。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间Ts
8、 0.0017s2)T电流滤波时间常数oi3) T i电流环小时间常数之和iTs Toi (0037 0 S根据初始条件有Toi =0.002 s。T i。按小时间常数近似处理，取表1各种整流电路的失控时间(f 50HZ )整流电路形式最大失控时间Tsmax(mS)平均失控时间Ts(ms)单相半波2010单相桥式(全波)105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67(2)选择电流调节器结构根据书本设计要求i 5%，并保证稳态电压无差，按典型I型系统设 计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器, 其传递函数：WACR ( S)心(iS 1)iS检查对电
9、源电压的抗扰性能：Tl T i 0.03s 0.0037=8.111,1参照表2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系T Ttfl 1110120130c55.5%3工2%1S.5%28344014.721.72S.730 4(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数:电流开环增益：书本要求i T l0.03s。i5%时，按表3,取KT i 0.5，因此0.5KT5 0.0037s135.1s 1于是，ACM比例系数为:电流环截止频率:ci K 135.1s 1Ki严更穿龄60.97表3典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系
10、参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调里0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6 T4.7 T3.3 T2.4 T峰值时间tp8.3 T6.2 T4.7 T3.6 T相角稳定裕度76.3 69.9 65.5 59.2 51.8 截止频率c0.243 /T0.367 /T0.455 /T0.569 /T0.786 /T(4)校验近似条件晶闸管整流装置传递函数的近似条件丄196.1s 1 ci满足近似条件。3Ts3 0.0017s忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3TmT3满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件0.2s
11、 0.03s38.73s ci满足近似条件。0.0017s 0.002s180.8s ci3、转速环的设计3.1转速环结构框图电流环经简化后可视作转速环的一个环节，电流环的闭环传递函数11；s s 1 Ki K|Weds)为Wcii (s)Id(s)Ug/忽略高次项,近似条件式中 cn接入转速环,K s(TiS 1)1 K s(T isWeH (s)可降阶近似为1Wci, (s)-s 1cnIKi13.T ,转速开环频率特性的截止频率。电流环等效环节的输入量应为1)U, (s)，因此电流环在转速环中应等效成Id(s)Wcii(s)Ug丄s 1Ki这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控
12、制后，可以近似的等效成只有较小时间常数1 Ki的一阶惯性环节。校正后成典型n型系统的转速环的动态结构框图如下*3.3转速调节器的参数计算(1) 确定时间常数A：电流环等效时间常数1 KI .已取KIT i 0.5 ,12T i 2 0.0037s0.0074sKiB：转速滤波时间常数T0n .已知，Ton =0.02s(2)C:转速环小时间常数T n1T nTon 0.0074s 0.02s 0.0274sKi按照设计要求，选用Wasr( s)PI调节器，其传递函数为Kn( nS 1)ns(3)计算转速调节器参数选择转速调节器结构转速反馈系数10V. nN 0.007V min/r按照跟随和抗
13、扰性能的原则，取 h=5,则ASR的超前时间常数为:hT n 5 0.0274s0.137s转速开环增益:Kn2 22h T n5 12 22 50.0274159.8s于是，ASR勺比例系数为Kn(h 1) CeTm2h RT6 0.05 0.15 0.22 5 0.007 0.6 0.02747.8检验近似条件转速环截止频率为KnKn n 159.8 0.137s21.9s1)1电流环传递函数简化条件为cn1135.113、0.0037s63.7scn2)转速环小时间常数近似处理条件为三、双闭环控制系统仿真1系统仿真模型本设计运用MATLAB勺Simulink来对系统进行模拟仿真。根据直流双闭环调速 系统的实际动态结构框图以及上面计算出的系统参数，可以建立直流双闭环调速系 统的动态仿真模型（1）建模过程说明1）进入MATLA直接键入simulink命令，打开Simulink模块浏览器窗口2） 打开模型编辑窗口 ：选择 File New Model菜单项实现3）复制相关模块进入模型编辑窗口：将 Source组中的Step （阶跃输入）模块、 Math Operations 组中的 Sum （加法器）和 Gain （增益）模块、Continuous 组中的Transfer Fen（控制器）和Integrator（
