自动控制系统课程设计--晶闸管-直流电动机单闭环调速系统.doc

广东技术师范学院天河学院电力拖动自动控制系统报告题目：晶闸管-直流电动机单闭环调速系统系 别 电气工程系 班 级 本自动化092 学 号 学生姓名 指导老师 孙炳达 2012年11月题目：晶闸管-直流电动机单闭环调速系统 系统结构图： 已知数据：直流电动机：额定功率18kw、额定电压220v、额定电流94A、额定转速1000r/min、电枢回路电阻1欧；机械部分的飞轮惯量：10N.m2；电枢回路总电感0.017H；测速发电机：永磁式，额定功率23w、额定电压110v、额定电流0.21A、额定转速1900r/min；整流变压器：Y/Y联接，二次线电压230V；直流稳压电源：15V*其它相关数据：触发整流器放大倍数设为40；二、设计要求(1) 调速范围D=20，静差率S10(按S=10计算)(2) 超调量小于（或等于）25%三、设计完后须提交(1) 设计说明书(含静态计算、稳定性判定；调节器的选取及参数计算等)(2) 系统的电路原理图；*(3) 系统的性能仿真(用MATLAB软件)控制结构图有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图。图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。所以，可以得到如下的框图：参数计算根据以上数据和稳态要求计算参数如下：取电机电枢电阻为0.5欧1.为了满足D=20，s10%，额定负载时调速系统的稳态速降为2.根据，求出系统的开环放大系数 先计算电动机的电动势系数则开环系统额定速降为 闭环系统的开环放大系数应为 3.计算测速反馈环节的放大系数和参数 测速反馈系数包含测速发电机的电动势转速比和电位器的分压系数，即=根据测速发电机数据，试取，如测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速成1000r/min下，反馈电压为稳态时很小，即可，现有直流稳压电源为15V，可以满足需要，因此所取的值是合适的。于是，测速反馈系数为电位器的选择方法如下：考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的确20%，这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是此时所消耗的功率为为了使电位器温度不是很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选为10W，1.5k的可调电位器。4.计算运算放大器的放大系数和参数实取按运算放大器参数，取则 5.反馈电压 6系统中各环节的时间常数： 电磁时间常数 电机时间常数 对于三相桥式整流路，晶闸管装置的滞后时间常数为 为保证系统稳定，开环放大系数的稳定条件按稳态调速性能指标要求，因此，此闭环系统是不稳定的。7由于闭环系统不稳定，利用伯德图设计PI调节器，使系统在保证稳态性能要求下稳定运行。原始系统的开环传递函数为由上已知在这里，因此分母中的二次项可分解成两个一次项之积，即则闭环的开环放大系数取为于是，原始闭环系统的开环传递函数是其中三个转折频率分别 利用margin命令函数n1=0 99.07; d1=0.071 1; s1=tf(n1,d1); n2=0 1;d2=0.022 1;s2=tf(n2,d2);n3=0 1;d3=0.00167 1;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始的闭环调速系统的频率特性如下图而 因为相角裕度=-7.8deg和增益裕度GM=-4.17dB都是负值，所以原始闭环系统不稳定。现在换成PI调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为所以取所以于是，PI调节器的传递函数为 最后，选择PI调节器的阻容参数。已知，则相角裕度=49.2deg和增益裕度GM=23.2dB都是正值，所以原始闭环系统稳定。二、超调量小于（或等于）25%系统其控制对象的传递函数校正成典型的I型系统，调节器传递函数为 校正后系统的开环传递函数为 取 查表得：； 其中 故：三、 仿真 根据系统的稳态结构框图得出仿真模块及仿真图有静差调速系统的动态结构如图所示，将前述静态比例环节Ks换为 采用比例调节器的闭环有静差调速系统结构图根据系统稳态结构图,选择仿真模块：使用constant模块作为转速给定电压，ramp模块作为负载扰动，并用staturation模块限幅，选择Gain模块作为传递函数模块，sum模块作为信号综合点，Derivative模块作为微分器，最后加上示波器。由此建立有静差调速系统的数学模型，并用MATLAB软件对系统进行仿真。下图为添加恒定负载时的仿真模型。单闭环直流调速系统添加恒定负载时的动态仿真模型用Ramp模块加上staturation模块限幅作为负载扰动如下图给定为阶跃函数时的有静差调速系统的动态系统无静差调速系统的动态仿真模型如下图所示。将有静差调速系统的比例控制器换成比例积分控制器。 无静差调速系统的动态仿真模型心得体会经过一周的课程设计，我学会了很多平时没有接触的知识。已掌握的自动控制知识在本次实践中得到了充分的发挥。经过老师的多次建议和我们自己翻阅资料，最终确定了这次的方案。在和同学合作的过程中，我也充分体会到了团结协作的重要性。完成了本次课程设计。经过这次课设，我学习并掌握了自动控制