控制系统设计与仿真课设计报告.doc

控制系统设计与仿真课程设计报告目 录摘要1一、 概 述2二、 设计任务与要求 22.1 设计任务22.2 设计要求2三、 理论设计 33.1 双闭环调速系统总设计 33.2 设计电流调节器53.2.1.2 确定时间常数53.2.1.3 选择电流调节器的结构53.2.1.4 校验近似条件53.2.1.5 计算调节器电阻和电容63.3 速度环设计 63.3.1 确定时间常数73.3.2 选择转速调节器结构73.2.2.3 检验近似条件73.2.2.4 计算调节器电阻和电容73.2.2.5 校核转速超调量7四、 系统建模及仿真实验 84.1 MATLAB 仿真软件介绍 84.2 仿真建模及实验 84.2.1 单闭环仿真实验84.2.2 电流环仿真实验104.2.3 双闭环仿真实验104.2.4 反馈回路扰动仿真实验14五、总结 15六、体会16参考文献 17. 摘 要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用MATLAB做了双闭环直流调速系统仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。本文还对实际中可能出现的各种干扰信号进行了仿真，另外本文还介绍了实物验证的一些情况。关键词：MATLAB 直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器 干扰 一、 概 述 我们都知道，对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电流环，相应的要运用转速调节器和电流调节器对转速和电流进行调节。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。采用PI调节的单个转速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无静差。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。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。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。但是电流会有一定的超调，用MATLAB/Simulink工具分析设计直流电动机速度控制系统。 二、设计任务及要求2.1设计任务设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机参数：l 额定功率60KW，额定电压220V，额定电流308A，l 额定转速 1000r/m，=0.196Vmin/r， l 允许过载倍数=1.5。l 晶闸管装置放大系数：=35l 电枢电阻：Ra=0.09l 电枢回路总电阻：2Ra=0.18l 时间常数：机电时间常数=0.12s， 电磁时间常数=0.012sl 电流反馈系数：=0.05V/Al 转速反馈系数：=0.007v min/rl 转速反馈滤波时间常数：=0.015s，=0.0025sl 总飞轮力矩：GD=5.2N.ml h=62.2设计要求：l 稳态无静差，电流超调量 ；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 。l 系统具有过流、过压保护.3、 理论设计3.1 双闭环调速系统总体设计 为了同时改善系统的稳态与动态性能，提出了转速调节器ASR与电流调节器ACR串级联接的双闭环调速系统，分别调节转速和电流。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。 图3-1 双闭环调速系统的原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相半波整流、电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。如图3-2所示，为双闭环调速系统的动态结构框图，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入再用电流调节器的输出去控制其他的。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图3-2 双闭环调速系统动态结构图框图3.2、设计电流调节器含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如下图所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压UC。根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出 给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器3.2.1确定时间常数1）、整流装置滞后时间常数TS=0.00172）、电流滤波时间常数Toi=0.0025S3）、电流环小时间常数Ti=TS+Toi=0.0017+0.0025=0.00423.2.2选择电流调节器结构根据设计要求 并保证稳态无静差，可按典I型PI调节器3.2.3计算电流调节超前时间常数i=TL=0.012时应取KITi=0.53.2.4校验近似条件电流环截止频率1)、校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件2）、校验忽略反电动势对电流环动态影响的条件 满足近似条件3）、校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件3.2.5计算调节器的电阻和电容按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能之便为4.3%5%，满足设计要求3. 3转速环设计含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如下图所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。转速调节器参数与电阻、电容值的关系为给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器其中U*n是给定输入n是转速反馈输入U*i是调节的输出是电流调节器的给定输入3.3.1确定时间常数1）、电流环等效时间常数。已取KITi=0.5则2） 、转速滤波时间常数Ton。取Ton=0.015S3） 、转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取3.3.2 选择转速调节器结构 根据设计要求，并保证稳态无静差，可按典I型PI调节器3.3.3计算转速调节器参数取h=6，则ASR的超前时间常数为可求得转速环开环增益可求的ASR的比例系数为3.3.4 检验近似条件1）、电流环传递函数简化条件2）、转速环小时间常数近似处理条件3.3.5计算调节器的电阻和电容3.3.6超调量相关计算1）校核转速超调量当h=6时，查表得，=37.6%，不能满足设计要求，实际上，由于表是按线性系统分析的，突然加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。2）退饱和超调量的计算当h=6时，由表查得=81.2%,=2（）（）=2*81.2%*1.5*=12.210/%满足设计要求4、 系统建模及仿真实验4.1 MATLAB 仿真软件介绍 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB具有以下六个特点： 1.编程效率高 2. 用户使用方便 3扩充能力强 4语句简单，内涵丰富 5高效方便的矩阵和数组运算 6方便的绘图功能 4.2 仿真建模及实验4.2.1 单闭环仿真实验 单闭环调速指标要求不高的场合一般采用单闭环转速负反馈作为调速方案,并且选用Pl调节器,解决系统动态稳定性和静态精度之间的矛盾,同时设置电流截止环节以防止起动电流的冲击。图4-1单闭环直流调速系统模拟仿真图 图4-2单闭环仿真结果图图4-3给定为额定值时的图 图4-4是给定小于额定时的图 由上图两图进行比较可以得出，在单闭环调速系统中给定不同就会使系统达到平衡时所需要的时间不同，给定靠近额定值时达到平衡时间就短，可以看出有静差调速系统的转速对于给定电压具有很好的跟随性，给定电压越大，最终转速越高。且动态模型中，转速会慢慢趋于稳定。4.2.2 电流环仿真实验 图4-5电流闭环模拟仿真图图4-6电流闭环仿真结果图 在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于,其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，所以系统做不到无静差，而是Id低于Idm4.2.3 双闭环仿真实验本设计运用Matlab的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，如图3-2所示。系统运行，空载及突加额定负载时得到系统的电流和转速仿真曲线，图4-7直流双闭环调速系统的实际动态结构框图图4-9双闭环系统主通道上未加扰动的仿真结果图图4-8MATLAB仿真框图图4-10双闭环系统主通道上增加加扰动的仿真结果图转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析如下：1、 起动过程分析 对于系统而言，被控对象是速度。从图4-9的仿真结果可以看到，电流Id从零长到Idm.然后在一段时间内维持不变等于Idm，以后又下降并经调节后达到稳态值IdL.转速波形先是缓慢上升，然后以恒速上升，产生超调后，到达给定值。从电流与转速变化过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了快速进入饱和、饱和及退饱和三种情况。1） 、电流上升阶段2） 、恒流升速阶段3） 、转速调节阶段2、 动态抗扰性能分析1） 、抗负载扰动2） 、抗电网电压扰动 从图4-10可知：在双闭环系统中，由于增加电流环，电流波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因此使抗扰性能得到改善。因此，在双闭环系统中，由于电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性、转速超调、准时间最优化。4.2.4反馈回路增加扰动图4-11MATLAB仿真框图 图4-12双闭环系统反馈通道上增加加扰动的仿真结果图图4-13双闭环系统反馈通道上增加加扰动的仿真结果图从图4-12的仿真结果可以看到，电流Id从零长到Idm.然后在一段时间内维持不变等于Idm，以后又下降并经调节后达到稳态值IdL.转速波形先是缓慢上升，然后以恒速上升，产生超调后，到达给定值。然后在反馈回路突加干扰系统就会出现上图的情况，图4-13是当系统还没有达到稳定是给反馈回路加扰动没有产生图4-12的情况。5、 总结 通过对图4-9图4-10图4-11图4-13图4-14的分析和对比，还有就是通过对单闭环和双闭环系统的分析和对比，我们可以看出双闭环系统的稳定性比单闭环系统稳定，调速性能也比较好，双闭环系统对系统的干扰的抑制比较好，在主回路上的干扰可以通过系统进行抑制，而反馈回路上的干扰不能被抑制。通过上述仿真可以得出转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化稳态时可以减小转速误差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电动机的最大电流。电流调节器作为内环对电网电压的波动起及时抗扰的作用，在转速动态过程中，保证获得电动机的最大电流，从而加快动态过程，当电动机过载时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要。六、心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，双闭环直流调速已经成为当今电机调速系统应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技术是十分重要的。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，在将近一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题，同时也发现了自己的不足之处，意识到自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，