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1、运动控制系统课程设计班级自动化0802姓名王有录学号摘要 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点， 所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了 双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能 然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依 据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系 统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系 统的性能指标进行了实验测试，表明所设计
2、的双闭环调速系统运行稳定可靠，具 有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用 MATLAB 软件中的控制工具箱 对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用 SIMULINK 进行动态数 字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。关键词 直流电机 直流调速系统 速度调节器 电流调节器 双闭环系统仿真Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and DC motor has been
3、 widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with double
4、closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. Afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. Then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink. The results of simulation are consi
5、stent with theory calculation. Some experience was acquired through simulation. Based on the theory and simulation, this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. The resu
6、lts of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the requirements.Computer-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using TOOL BOX and SIMULINK.Keywords DC motor,
7、DC governing system, speed governor, current governor, double loop control system, simulink目录摘要Abstract一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍2、双闭环直流调速系统的组成3、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性4、双闭环直流调速系统的数学模型二、系统设计方法及步骤1、系统设计的一般原则2、电流环设计(1) 确定时间常数(2) 选择电流调节器结构(3) 选择电流调节器参数(4) 校验近似条件3、转速环设计(1) 确定时间常数(2) 选择转速调节器结构(3) 选择转速调节器
8、参数(4) 校验近似条件三、Matlab 和 Simulink 简介四、Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析1、开环直流调速系统的仿真2、单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真3、单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真4、单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真5、单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真6、单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真7、单闭环转速负反馈调速系统定量仿真8、双闭环直流调速系统定量仿真9、三闭环直流调速系统仿真五、V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图六、总结参考文献一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍双闭
9、环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速 （电压）低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电 压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态 ,速度调节器的输出电压作为电流 给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号, 直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒 流加速启动。电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅 值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小 到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载 引起的转速波动,速
10、度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电 流调节器来修正触发器的移相电压 ,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校 正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波 动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发 生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。2、双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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和电流负反馈。两者之间实行嵌套 连接，如图11 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
11、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。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图11 转速、电流双闭环直流调速系统其中：ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电子变换器Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui -电流反馈电压3、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性图12双闭环直流调速系统的稳态结构框图分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱 和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒 值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入
12、信号使调节器退出饱和，换 句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。 当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压AU在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转 速负反馈起主要的调节作用，但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输 出莒,这时，电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差，得到过电流 的自动保护这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而, 实际上运算放大器的开环放大系数并不
13、是无穷大，因此，静特性的两段实际上都 略有很小的静差,见图13中虚线。图13 双闭环直流调速系统的静特性A_ 4 11111111E j4、双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容。全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压UaO的关系为：U = AU cos a = AU cos( KU )a 02 2 ct其中：A-整流器系数；U 2 -整流器输入交流电压；a -整流器触发 角；Uct-触发器移项控制电压； K-触发器移项控制斜率； 整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大 系数为：K=Ua0Uc
14、t。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：丁晶;1ToiS+1磴打TiSESi/RliS+1Td+图 14 双闭环直流调速系统的动态结构框图、系统设计方法及步骤1、系统设计的一般原则: 概念清楚、易懂； 计算公式简明、好记； 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。U -1 R 220 -136 X 0.2 参数：C 7 NenN1460=0.132VTi -彳-昭-0-03GD2RT m 375C Cem375x0.ZT x0.132 -C 30 X C 1.26m 兀e2、电流环设
15、计1) 确定时间常数整流装置滞后时间常数：Ts = 0.0017s。 电流反馈滤波时间常数： Toi=0.002s。电流环小时间常数之和：Tf.=T +T. = 0.0037s。乙 1s oi2) 选择电流调节器结构根据设计要求：qS5%，保证稳态电流无差，可按典型I型设计电流调 节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的。检查对电源电压的抗扰性能:互丄型8.11，各项指标都可接受。込 i 0.0037所以电流调节器传递函数为：WACr(s)=虽車亠。Tis3) 选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数：Ti = Tl = L = 0.03soil R电流反馈系数B： B = 1.35。电流环开环增益：要求Si5%时，取KlTEi = 0.5，因此K = 0.5 si = 135.1s1，1 吁 0.0037 所以，K =虽1迟1.013。iKs B因此：Wacr(s) = 1-013(0-03s1)
