自动控制原理课程设计.doc

成绩 课程设计说明书(论文)题 目 直流电动机调速系统仿真建模及其拖动自动 控制系统的校正 课 程 名 称 自动控制原理课程设计 院 系 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 指 导 教 师 设计起止时间：2011年6月6日 至2001年6月17日目录课程设计任务书3一、直流电动机直接起动仿真71.1、Power System 中的直流电机模型71.2、设计要求81.3、电动机参数计算81.4、绘制仿真线路81.5、设置模块参数和仿真参数91.6、仿真及其结果9二、直流电动机开环调速系统仿真112.1、设计要求112.2、系统仿真模型设计 112.3、设置模块参数112.4、设置仿真参数122.5、启动仿真并观察结果12三、转速闭环控制的直流调速系统仿真143.1、设计要求153.2、仿真模型设计153.3、仿真结果16四、转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真174.1、设计要求184.2、仿真模型设计184.3、仿真结果18五、自动控制原理课程设计大作业195.1、设计要求195.2、按传递函数构建仿真模型205.3、电流转速调节器参数计算205.4、建立传递函数仿真模型并观察其仿真结果215.5、改变调节器参数以及转速，观察电流转速响应225.6、设置模块参数255.7、建立仿真模型并观察仿真结果25六、主要参考文献271课程设计应达到的目的一、掌握MATLAB环境下传递函数建模和Power System模块建模的方法；二、根据控制对象的物理特性，掌握控制系统动态建模的方法；三、了解控制系统校正的一般过程，根据被控对象的性能指标要求进行系统校正。2课程设计题目及要求一、题目直流电动机调速系统仿真建模及其拖动自动控制系统的校正二、要求（1）灵活运用MATLAB环境下Simulink、Power System工具箱模块进行混合建模；（2）熟练掌握根据被控对象动态数学模型建立控制系统传递函数表示的结构图；（3）掌握直流电动机双闭环调速控制系统内、外环调节器整定过程中动态数学模型简化的分析方法；（4）了解直流电动机双闭环调速控制系统内、外环调节器整定的一般过程；（5）使用整定过的调节器，建立直流电动机双闭环调速控制系统传递函数表示的仿真模型和Power System模块表示的仿真模型。3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求一、根据以下条件进行直流电动机参数计算和设置，完成全压直接起动系统的仿真建模；一台直流并励电动机，铭牌额定参数为，电枢回路总电阻，励磁回路总电阻，电动机转动惯量。要求仿真该电动机的直接起动的过程。二、根据以下条件进行交流电源电压、直流电动机、晶闸管等参数计算和设置，完成开环调压调速系统的仿真建模；已知直流电动机额定参数为，4极，。励磁电压，励磁电流。采用三相桥式整流电路，整流器内阻。平波电抗器。仿真该晶闸管-整流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化。三、在题二的基础上建立直流电动机转速负反馈系统仿真模型，观察在不同放大器放大倍数时对转速变化的影响；四、在题三的基础上交流直流电动机带电流截止负反馈的仿真模型，观察转速和电流的动态响应过程。五、自动控制原理课程设计大作业-直流电动机拖动自动控制系统的校正某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V、17A、1460r/min、，允许过载倍数。晶闸管装置放大系数：；电枢回路总电阻：；时间常数：，；电流反馈系数：；转速反馈系数：。设计一转速电流双闭环控制的调速系统，设计指标为电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。取电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定。仿真观察系统的转速、电流响应和设定参数变化对系统响应的影响。要求：（1）根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，按传递函数构建仿真模型；（2）按工程方法设计和选择转速和电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器。（3）设定模型仿真参数，仿真时间10s，并在6s时突加1/2额定负载，观察控制系统电流、转速响应。（4）修改调节器参数，观察在不同参数条件下，双闭环系统电流和转速的响应，修改转速给定，观察电动机在同步转速时的工作情况。（5）使用Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型，并与传递函数模型运行结果进行比较。4主要参考文献1、牛维扬、李祖明电机学北京：中国电力出版社，2005年2、黄俊、王兆安电力电子变流技术北京：机械工业出版社，1999年12月3、王划一自动控制原理北京：国防工业出版社，2001年11月4、陈伯时电力拖动自动控制系统北京：机械工业出版社，2000年6月5课程设计进度安排起 止 日 期工 作 内 容2011年6月7日 6月9日 6月9日6月16日 6月17日上午6月17日下午课程设计讲解；学生上机调试和答疑、并按要求整理好课程设计说明书；仿真建模现场调试及口试答辩。6成绩考核办法课程设计说明书：60%；现场调试模型及口试答辩：40%。教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院（系、部、中心）意见：主管领导签字： 年 月 日一、直流电动机直接起动仿真1.1、Power System 中的直流电机模型 直流电机模型图标如图1所示，图中F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的连接端，是电机负载转矩的输入端。m端由于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。图1 直流电机模型图标 直流电机模块是建立在他励直流电机基础上的，可以通过励磁和电枢绕组的并联和串联组成并励或串励电机。而该直流电机模型是工作在电动机状态还是发电机状态，则是由电机的转矩方向来决定的。他励直流电机模型参数见表1。直流电机模型如图2所示。表1 他励直流电机模型参数参数单位电枢电阻（欧姆）电枢电感（亨利）励磁和电枢互感（亨利）转动惯量粘滞摩擦系数干摩擦转矩初始角速度 励磁回路电压方程为=+ 式中，、为直流电机励磁电压和电流；、为励磁回路电阻和电感。 电枢回路电压方程为=+=或= 式中：、为直流电机电枢电压(V)和电流(A)；、为电枢回路电阻()和电感(H)；E为电枢感应电动势(V)；为电机转子机械角速度（rad/s）；n为转子转速(r/min)；KE为电动势常数(Vs/rad)；为磁场和电枢绕组间互感(H)。 电机转矩方程为式中：J为转动惯量(Kgm2 )；B为粘滞摩擦系数（Nms/rad）；KT为转矩系数，KT=KE。1.2、设计要求一台直流并励电动机，铭牌额定参数为=17Kw,=220V，=88.9A， = 3000r/min，电枢回路总电阻Ra=0.087，励磁回路总电阻Rf=181.5，电动机转动惯量J=0.76Kgm2。要求仿真该电动机的直接起动的过程.1.3、电动机参数计算 励磁电流为A 励磁电感在恒定磁场控制时可取0 电枢电阻 Ra=0.087，电枢电感估算为H（经验公式） 式中，p为极对数；C为计算系数，对于无补偿电机C=0.1，补偿电机C=0.4。 因为V.min/rV.s/rad 所以H 额定负载转矩为N.m1.4、绘制仿真线路 提取直流电动机、电源等元件模块，提取模块的名称及路径见表2。联结模块绘制直流电动机直接起动的仿真模型如图2所示。在模型中电动机励磁绕组和电枢的输入端并联后与直流电源电压Vd的正极端相连接，电动机励磁绕组和电枢的输出端通过T 形节点并联后与直流电源Vd的负极端连接在一起。电动机的负载转矩由常数模块TL设定。然后在电动机模块的m端接上示波器，用于观察电动机的各项披形，由于在m端可以输出转速、电枢电流、励磁电流和转矩四项参数，因此需要用Demux模块分解。直流电动机模型输出转速的单位是rad/s，在模型中使用了一个放大器(Gain)将rad/s转换为习惯的r/min，变换系数为表2 直流电动机直接起动仿真线路模块模块名提取路径直流电动机 DC motorPower system/machines直流电源电压VdPower system/ Electric1 sourcesT 形接点Power system/connectors常数模块TLSimulink/sources信号分解DemuxSimulink/Signals & system图2 直流电动机直接起动仿真模型1.5、设置模块参数和仿真参数 双击电动机模块图标，弹出模块参数对话框，在对话框中输入前面计算的电动机模型参数，在电源Vd模块对话框中输入“220”，在常数模块TL对话框中置入“60.1”。在完成元件模块参数设置后在Simulation菜单下选择Simulation parameters，设置仿真参数，取仿真时间为1s，仿真算法采用Ode45。1.6、仿真及其结果在各项参数设置完成后，点击菜单中的“ ”图标启动仿真。在仿真结束后，点击示波器，则可以观测电动机的转速、电流、转矩等波形，如图3所示，图中波形从上向下分别为电动机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩。从波形中可见，电动机在带载起动时起动电流很大，最大可达2500A。在起动0.4s后，转速达到3000r/min，电流下降为额定值89A左右，转矩也有相应的变化。a)b)c)d)图3 直流电动机直接起动转速、电枢电流、励磁电流、转矩波形a) 转速响应 b)电枢电流响应 c)励磁电流曲线 d)转矩响应二、直流电动机开环调速系统仿真2.1、设计要求已知直流电动机额定参数为=220V，=17A，=1460r/min，4极，Ra =0.21，= 22.5Nm2。励磁电压=220V，励磁电流=1.5A。采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec=1.3。平波电抗器=200mH。仿真该晶闸管-整流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化。2.2、系统仿真模型设计 图4 直流电动机开环调速系统仿真模型2.3、设置模块参数 供电电源电压为V 电动机参数如下 励磁电阻为 励磁电感在恒定磁场控制时可取0。 电枢电阻Ra=0.21，电枢电感由下式估算，即 因为V.min/r 所以 电动机转动惯量为 额定负载转矩为2.4、设置仿真参数 仿真算法采用odel5s，仿真时间为10s，电动机空载起动，起动4s后突加额定负载。2.5、启动仿真并观察结果a)b)c)d)图5 晶闸管-直流电动机系统仿真结果a)整流器输出电压 b) 电枢电流 c)电动机转速 d)电动机转矩曲线三、转速闭环控制的直流调速系统仿真 晶闸管-直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实现调速，但是存在两个问题：第一，全压起动时，起动电流大；第二，转速随负载变化而变化，负载越大，转速降落越大，难以在负载变动时保持转速的稳定，而满足生产工艺的要求。为了减小负载波动对电动机转速的影响可以采取带转速负反馈的闭环调速系统，根据转速的偏差来自动调节整流器的输出电压，从而保持转速的稳定。3.1、设计要求在例2的基础上观察转速负反馈系统，在不同放大器放大倍数时对转速变化的影响。图6 带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构 带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为 电动机转速降为式中：，为放大器放大倍数；为晶闸管整流器放大倍数；为电动机电动势常熟；为转速反馈系数；为电枢回路总电阻。3.2、仿真模型设计从稳态特性方程可以看到，如果适当增加放大器放大倍数，电机的转速降将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍数过大，也可能造成系统运行的不稳定。图7 转速负反馈有静差直流调速系统仿真模型3.3、仿真结果 在额定转速=10，=5，10，20时的转速相应曲线如图8a所示，图8b所示为Kp=10时的电流响应波形。 Kp=5时转速响应曲线 Kp=10转速响应曲线 Kp=20转速响应曲线 电流响应曲线图8 额定转速时的响应曲线 Kp=10移相控制信号 Kp=200移向控制信号 Kp=10转速响应曲线 Kp=200转速响应曲线图9 转速给定=5时的波形四、转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真4.1、设计要求为了限制电动机的起动电流，可以在转速负反馈系统的基础上增加电流截止负反馈的措施。带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真模型如图10所示，模型在图7的基础上增加了由电流反馈i-feed和死区Dead Zone模块组成的电流截止环节。在电流反馈信号小宇Dead Zone模块的死时区间值时，Dead Zone模块没有输出，电流截至负反馈不起作用。当电流反馈信号大于Dead Zone模块的死时区间时，Dead Zone模块的输出抵消了一部分转速的给定信号，使电流减小。4.2、仿真模型设计图10 带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真模型4.3、仿真结果a)转速响应b)电流响应图11 带电流截止负反馈的转速单闭环控制调速系统仿真结果五、自动控制原理课程设计大作业5.1、设计要求某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V、17A、1460r/min、，允许过载倍数。晶闸管装置放大系数：；电枢回路总电阻：；时间常数：，；电流反馈系数：；转速反馈系数：。设计一转速电流双闭环控制的调速系统，设计指标为电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。取电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定。仿真观察系统的转速、电流响应和设定参数变化对系统响应的影响。要求：（1）根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，按传递函数构建仿真模型；（2）按工程方法设计和选择转速和电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器。（3）设定模型仿真参数，仿真时间10s，并在6s时突加1/2额定负载，观察控制系统电流、转速响应。（4）修改调节器参数，观察在不同参数条件下，双闭环系统电流和转速的响应，修改转速给定，观察电动机在同步转速时的工作情况。（5）使用Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型，并与传递函数模型运行结果进行比较。5.2、按传递函数构建仿真模型双闭环调速系统的实际动态结构图如下图所示，由于反馈信号检测中常含有谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需加低通滤波，这样的滤波环节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给定。然而，在抑制扰动量的同时，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同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便，电流环、速度环滤波时间常数分别为、。图12 双闭环调速系统的实际动