单闭环无静差转速负反馈调速系统的 建模与仿真

学号 *大学（运动控制系统课程设计）设计说明书单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真（Un = 5V ）*起止日期： 2019 年 5 月 27 日 至 2019 年 5 月 31 日学生姓名*班级16 级 自动化 1 班成绩指 导 教 师 ( 签字 )控制工程学院2019 年 5 月 31 日大学课程设计任务书2018 2019 学年第 2 学期 控制学院 学院 自动化 专业 16级1 班课程设计名称： 运动控制系统课程设计 设计题目： 单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真（）完成期限：自 2019 年 5 月 27 日至 2019 年 5 月 31 日共 1 周设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：一、设计依据（直流电动机基本参数）：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。二、设计要求（1）分析系统结构、原理（2）PI调节器参数设置、设计反馈系数（3）利用matlab/simulink绘制系统的仿真模型并对模块参数进行设置（4）对该调速系统进行仿真，并观察电动机在全压启动和启动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变化情况。三、参考文献 1.王兆安，等.电.力电子技术M.北京:机械工业出版社，2000.2.张广溢，等.电机学M。重庆:重庆大学出版社，2002.3.王军.自动控制原理M。重庆:重庆大学出版社，2008.4.周渊深.交直流调速系统与Flat 1 ab仿真M.俨比京:中国电力出版社，2004.5.陈伯时，电力拖动自动控制系统(第2版)M.北京:机械工业出版社.20056.陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统(第3版)机械工业出版社指导教师（签字）： 系（教研室）主任（签字）： 批准日期：2019年 5 月 13 日目录一、设计思路- 1 -二、分析系统结构、原理- 3 -2.1电压比较环节- 4 -2.2放大器环节- 4 -2.3电力电子变换器环节- 4 -2.4测速反馈环节- 4 -三、PI调节器参数设置、设计反馈系数- 5 -3.1 参数计算- 5 -3.2 设置反馈系数- 6 -四、系统的仿真模型并绘制- 7 -4.1 仿真系统图- 7 -4.2 电动机全压启动- 7 -4.3 电动机全压启动加负载- 8 -五、总结- 9 -一、设计思路根据设计要求，单闭环无静差转速负反馈调速系统，如果采用比例调节器，调节器的输出是电力电子变换器的控制电压Uc=KpUn。只要电动机在运行，就必须有控制电压Uc，因而也必须有转速偏差电压Un，但是出现的问题就是调速系统会有静差。如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电压Un的积分，Uc=10tUndt。当Un时阶跃函数时，Uc按线性规律增长，每一时刻Uc的大小和Un与横轴与横轴所包围的面积成正比。对于闭环系统中的积分调节器，Un不是阶跃函数，而是随着转速不断变化的。当电动机启动后，随着转速的升高，Un不断减少，但积分作用使Uc仍继续增长，只不过Uc的增长不再是线性的了，每一时刻Uc的大小仍和Un与横轴所包围的面积成正比。在动态过程中，当Un变化时，只要其极性不变，积分调节器的输出Uc便一直增长，直到达到Un*=Un，Un=0时，Uc才停止上升，达到其终值Ucf。当Un=0时，Uc并不是零，而是一个终值Ucf，如果Un不再变化，这个终值便保持恒定不在变化，所以积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。图1.1 比例积分调节器线路图将以上的分析归纳起来，可以得出：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。从无静差的角度来看，积分控制优于比例控制，但是从另一方面看，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调机器的输出却只能逐渐的变化，采用PI控制器，可以保证系统稳态，速度无静差。比例控制的调速系统可以获得比开环调速系统好的多的稳态特性，从而保证在一定的静差率的要求下，能够提高调速范围；积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。PI控制综合了比例控制和积分控制的优点：比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。在采用了PI调节器以后，构成的是无静差调速系统。利用如图的仿真模型，改变比例系数和积分系统，可以得到无静差转速曲线。仿真曲线反映了对给定输入信号的跟随性能指标。图2.1 闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程二、分析系统结构、原理根据设计要求，单闭环转速负反馈调速系统，采用 PI 控制器，可以保证统稳态速度无静差。比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围；积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。PI 控制综合了比例控制和积分控制的优点：比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。在设计 PI 调节器时，如何选择参数 KP 和t，关键在于及要求 PI 控制调速系统的稳定性好，又要求系统的快速性好，同时还要求稳态精度高和抗干扰性能好。转速负反馈的闭环调速系统静态特性与电动机同轴安装一台测速发电机 TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压U n，与给定电压U * 相比较后，得到转速偏差电压U，经过放大器 A ,产生电力电子变换器UPE 所需的控制电压Uc ，用以控制电动机的转速。这就组成了反馈控制的直流调速系统。其原理框图如图 2 图 2 直流闭环调速系统根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠偏作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统你能够大大减少转速降落。下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾假定；（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入-输出关系都是线性的，或者只 再现性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻。2.1电压比较环节图2.1 电压比较环节动态结构框图2.2放大器环节图2.2 放大器环节动态结构框图2.3电力电子变换器环节图2.3电力电子变换器环节动态结构框图2.4测速反馈环节图2.4 测速环节动态结构框图三、PI调节器参数设置、设计反馈系数3.1 参数计算比例积分控制（PI 调节器）的输出由比例和积分两部分叠加而成，其输入-输出关系为为了使 PI 调节器的表达式更具有通用性，用Uin 表示 PI 调节器的输入，Uex 表示 PI调节器的输出。其传递函数为 式中Kp -PI 调节器的比例放大系数； st-PI 调节器的积分时间常数。1） 为保证系统稳定,开环放大系数应满足假设 Kp = 1K KcrK = Kp KsaCe直流电动机：额定电压Un=220V，额定电流In =55A，额定转速nn=1460r/min，励磁电压Uf=220 ，励磁电流If=1.5V。采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec=1.3 。平波电抗器 L=200mH。,Ce=UN-RaINnNCm=30Ce= 1.83 N M / ATm=GD2R375CeCm直流电机在额定磁通下的电动势系数Ce=0.131Vmin/r直流电机在额定磁通下的转矩系数1.25Vmin/r电枢回路总电阻Ra=0.21机电时间常数Tm=0.553S电枢回路电磁时间常数 Tl=LR=0.132s电力电子变化器的等效传函： Wss=KsTs+1滞后时间常数Ts =0.00167s装置的放大系数 Ks =44给定电压U*=5V3.2 设置反馈系数比例放大系数:Kp=1.5转速反馈环节系数 =U*nN=0.00342Vmin/r- 9 -四、系统的仿真模型并绘制4.1 仿真系统图图4.1仿真系统图4.2 电动机全压启动图4.2 电动机全压启动注：黄色转速、红色电流、蓝色转矩4.3 电动机全压启动加负载图4.3 电动机全压启动加负载五、总结本次设计对三年的学习成果进行了一-次大检验，让理论和时间进行了一次紧密联系。在系统的设计过程中，本人有很多值得改进的地方。系统的设计过程也是对人意志品质的锻炼过程。当设计进行的顺利的时候，每个人都会心情舒畅;然而，设计遇到困难和挫折时，本人没有及时进行困难分析，盲目下了结论，强行进行下一个阶段的设计，使得在整体功能实现上出现了更大问题，以至于不得不进行查找。然而，此时查找已错过了查找错误的最佳时期。由于设计已经进行了很多，也并不好查找。此时，正是考验人的耐力的时候。本人深刻感到书到用处方恨少。在进行设计的时候常常感到知识储备量不足，