自动控制课题设计.doc

自动控制系统课程主题设计转速、电流双闭环直流调速系统及其MATLAB仿真研究姓 名：王瑞祥学 号：120101301专 业：电气自动化指导教师：张琦焦作大学2014-06目录课程设计任务书前言1课程设计的目的2课程设计的内容第一章 直流双闭环调速系统原理1.1系统的组成1.2系统的原理图第二章 转速、电流双闭环直流调速器的设计2.1电流调节器的设计2.2转速调节器的设计第三章 系统仿真心得体会参考文献前言对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。1课程设计的目的自动控制系统课程设计是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是使学生巩固和加深课程的理论知识，结合实际，融会贯通。进一步培养学生独立分析和解决实际工程技术问题的能力。充分发掘自身的潜力，开拓思路设计双闭环 直流调速系统。并掌握其系统的组成、工作原理、调节器的设计及Simulink仿真等内容，同时在计算、绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为今后的学习工作奠定基础。2 课程设计的主要内容晶体管整流装置采用三相桥式全控整流，整流变压器绕组按-Y连接。直流他励电动机的额定数据为： 440V，200A，1460r/min；允许过载倍数1.5；触发整流放大系数Ks=36，整流回路总电阻R=0.7（包括电枢电阻），时间常数Tl=0.06s,Tm=0.7s。电流反馈系数转速=0.05V/A，反馈系数测速=0.008Vmin/r发电机采用永磁式，额定数据为：23.1W，110V，0.21A，1900 r/min。稳态性能指标要求：（1） 响应无误差；（2） 电流环超调量0.05；（3） 转速环按典型II型系统设计；要求：在给定输入作用下的调节时间最短第一章直流双闭环调速系统原理1.1系统的组成转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm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。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把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；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图1-1转速、电流双闭环直流调速系统1.2系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1-2所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。图1-2双闭环直流调速系统电路原理图第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计2.1电流调节器的设计 2.1.1电流环结构框图的化简在图2-1点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互相交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数TL远小于机电时间常数Tm，因此，转速的裱花往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即E0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-1所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是ci31TmTl式中ci-电流环开环频率特性的截止频率。图2-1忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成Ui(s)/，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-2所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。图2-2等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图最后，由于TS和TOI一般都比TL小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为Ti=Ts+Toi则电流环结构框图最终简化成图2-3。简化的近似条件为ci131TSToi图2-3小惯性环节近似处理时电流的动态结构框图2.1.2电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-3可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。 图2-3表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 式中Ki电流调节器的比例系数； i电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择i=Tl则电流环的动态结构框图便成为图2-4所示的典型形式，其 中 图2-4校正成典型型系统的电流环动态结构框图2.1.4电流调节器的实现 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图2-5所示。图中Ui为电流给定电压，Id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，可以容易地导出图2-5含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器2.2转速调节器的设计 2.2.1电流环的等效闭环传递函数 电流环经等效后可视作转速换中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数Wcli(s)。由图2-4可知 忽略高次项，Wcli(s)可降阶近似为 近似条件为式中cn转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速换内，电流环等效环节的输入量应为Ui(s)，因此电流环在转速环中应等效为 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 2.2.2转速调节器结构的选择 用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-6所示。 图2-6用等效环节代替电流环后转速环的动态结构框图 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1/KI和T0n的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中则转速环结构框图可化简成图2-7 图2-7等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后转速换的动态结构框图为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中（见图2-7），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 式中Kn转速调节器的比例系数； n转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-8所示。 2.2.3转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图2-9所示，图中Un为转速给定电压，n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Ui。转速调节器参数与电阻、电容值的关系为第三章系统仿真本设计运用Matlab的Simulink来对系统进行模拟仿真。根据图3-1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，如图3-3、3-4。 图3-1直流双闭环调速系统的实际动态结构框图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，在将近两星期的日子里，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，学会了坚持、耐心和努力，这也将为我今后的学习和工作产生积极的影响。在小组同学的热情帮助下，在指导教师的耐心讲解下，我学会了MATLAB软件的调试和使用，顺利的完成了这次课程设计。