《单闭环直流调速系统的设计与仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单闭环直流调速系统的设计与仿真（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单闭环直流调速系统的设计与仿真内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，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，可利用积分调节器代替比例调节器。 通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。关键词：稳态性能 稳定性 开环 闭环负反馈 静差The design and simulatio
2、n of Single loop dc speed control systemAbstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc systems steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts propo
3、rtion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator. Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier
4、 triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated sys
5、tem, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation.Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset目 录1绪 论11.1直流调速系统概述11.2 MATLAB简介12 单闭环控制的直流调速
6、系统简介22.1 VM系统简介22.2转速控制闭环调速系统的调速指标22.3闭环调速系统的组成及静特性32.4反馈控制规律42.5主要部件52.5.1 比例放大器52.5.2 比例积分放大器52.5.3额定励磁下直流电动机72.6稳定条件82.7稳态抗扰误差分析83 单闭环直流调速系统的设计及仿真103.1参数设计及计算103.1.1参数给出103.1.2 参数计算103.2有静差调速系统113.2.1有静差调速系统的仿真模型113.2.2主要元件的参数设置123.2.3仿真结果及分析123.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真133.3无静差调速系统153.3.1 PI串联校正的设计153.3
7、.2无静差调速系统的仿真模型173.3.3主要元件的参数设置183.3.4仿真结果及分析183.4有静差调速系统和无静差调速系统的动态分析设计193.4.1有静差调速系统的仿真模型193.4.2参数设置193.4.3仿真结果及分析19参考文献23致谢241绪 论1.1直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来
8、的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。1.2 MATLAB简介在1980年前后，美国的Cleve博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科
9、学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。MATLABSGI由美国MathWorks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。本文通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较开环系统和闭环系统的差别，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后
10、用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。2 单闭环控制的直流调速系统简介2.1 VM系统简介晶闸管电动机调速系统（简称VM系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点：1由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。2元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件
11、，而且在选择元件时还应有足够的余量。图1 VM系统2.2转速控制闭环调速系统的调速指标1调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即其中和一般都指电机额定负载时的转速。2静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即静差率用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。 调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差
12、率也就容易得多了。3调速范围、静差率和额定速降的关系以电动机的额定转速为最高转速，若带额定负载时的转速降落为，则该系统的静差率应该是最低速时的静差，即于是，而调速范围为将上面的式代入，得上式即为调速范围、静差和额定速降之间所应满足的关系。对于一个调速系统，它的特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越严，也就是s越小，系统能够允许的调速范围也越小。2.3闭环调速系统的组成及静特性转速反馈控制的闭环调速系统，其原理如图。图2 采用转速负反馈的闭环调速系统1忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出都是线性的；2假定只工作在VM系统开环机械特性的连续段；3忽略直流电源和电位器的内阻。电压比较环节：放大
13、器：晶闸管整流与触发装置：VM系统开环机械特性：测速发电机：放大器的电压放大系数；晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数；测速反馈系数，单位为Vmin/r;因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式式中为闭环系统的开环放大系数，这里是以作为电动机环节的放大系数的。静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结构图，如图3所示： 图3 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图2.4反馈控制规律从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳定性影响很大，K越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。总之K越大，稳态性能
14、就越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为只有K=才能使，而这是不可能的。2.5主要部件2.5.1 比例放大器 运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器、P调节器），如图4，为放大器的输入和输出电压，为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响 放大系数为 图4 P调节器原理图 图5 P调节器输出特性2.5.2 比例积分放大器在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高、中、低三个频段，频段的界限是大致的。图6为一种典型伯德图的对数幅频特性。一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI调节器。采用运算
15、放大器的PI调节器如图7。 图6 典型控制系统的伯德图 图7 比例积分（PI）调节器PI调节器的传递函数为PI调节器比例放大部分的放大系统；PI调节器的积分时间常数。此传递函数也可以写成如下的形式式中PI调节器的超前时间常数。反映系统性能的伯德图特征有以下四个方面：1.中频段以 -20dB/dec的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好；2.截止频率越高，则系统的快速性越好；3.频段的斜率陡、增益高，表示系统的稳态精度好（即静差率小，调速范围宽）；4.频段衰减得越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声的能力越强。用来衡量最小相位系统稳定程度的指标是相角裕度和以分贝表示的幅值裕度Lg。稳定裕度能间接的反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大意味着振荡弱、超调小。在零初始
