自动控制系统课程设计报告.doc

自动控制系统课程设计报告题目 直流电机闭环调速系统 班级 学号 姓名 指导教师 目录前言-2第一章 直流电动机基本控制电路1.1直流电动机的结-31.2 设计参数 -3第二章 闭环系统的设计 2.1闭环调速系统的组成及其静特性-5 2.2静特性方程式 -5 2.3稳态结构框图 -6 2.4动态结构框图 -72.5稳态参数计算 -72.6判别系统的稳定性 -8 2.7调速系统的开环传递函数 -8第三章 系统的校正设计 3.1校正的基本方法-93.2校正的基本原理-10 3.3调节器设计-11 3.4利用PI调节器对系统校正 -13 总结 -18 参考文献 -19前言直流电动机单闭环系统数学模型的建立及校正的设计步骤:首先进行直流电动机系统的设计,进行器件的选择参数的确定,构建数学模型,流程图和闭环传递函数.其次进行静态性能分析,确定调速的系统稳定参数.在此进行动态性能分析及进行设计.确定反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,并判断系统是否稳定.经过计算得出系统不是稳定的.最后进行系统的校正设计,校正的方法有很多种, 在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有比例微分 （PD）、比例积分 （PI）和比例积分微分 （PID）三种类型。校正的基本原理是利用校正网络的高频衰减作用,使系统的对数幅频特性在0db线时的频率为-20db/dec,相对平稳性得到改善.但幅值穿越频率减小了,系统的抗干扰能力增强了,但快速性变差了.为了减小相角滞后的不利因素,最大滞后相角对应的频率应离截止频率远一些.适用于稳态性能要求高,而瞬态性能容易满足要求的场合.第一章 直流电动机基本控制电路1.1直流电动机的结构直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成。（1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座（即电机外壳）上，机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。（2）电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片组成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器（整流子）主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联结。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。1.2设计参数：（1）直流电动机参数：=10.8W、=12V、=1A、=1500r/min、=90%电枢电阻Ra=0.5晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器YY联结，二次线电压=15V，电压放大系数KA=4:V-M系统电枢回路总电阻R=1；（2）测速发电机参数：=15V，=2000r/min，=2.25W，=150mA，负载电阻R=100。（3） PWM主电路：驱动频率f10kHz,R=2.7+0.5=3.2。（4）设计指标:转速电流双闭环直流调速系统：=10V，=10V，=1.5，5%，10%。第二章 闭环系统的设计2.1闭环调速系统的组成及其静特性 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，它就会自动产生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图调节原理：在反馈控制的闭环直流调速系统中，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，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE的控制电压，用以控制电动机转速n。2.2静特性方程式转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式:+-=式中:PK放大器的电压放大系数；Ks变换器的电压放大系数；a 转速反馈系数，（Vmin/r）； UPE的理想空载电压；R 电枢回路总电阻。2.3稳态结构框图闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。 _ _ 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图2.4动态结构框图 _ 反馈控制闭环调速系统的动态结构图由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是:式中 2.5稳态参数计算（1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为（假设要求调速范围D=10，静差率s5%；）：（2）求闭环系统应有的开环放大系数。 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为（3） 转速反馈系数（4） 运算放大器的放大倍数取=162.6判别系统的稳定性为保证系统稳定，开环放大系数应满足的稳定条件为按稳态调速系统指标要求K 55.2显然，系统不能在满足稳态性能的要求下稳定运行。2.7调速系统的开环传递函数 反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是第三章 系统的校正设计3.1校正的基本方法 动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有比例微分（PD）、比例积分（PI）和比例积分微分（PID）三种类型。由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；用PID调节器实现的滞后超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PD调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用PI或PID调节器。在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图，即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。正因为如此，伯德图是电力拖动自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法3.2校正的基本原理 在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：相角裕度和以分贝表示的增益裕度GM.一般要求 保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着动态过程振荡弱、超调小。在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的，不同文献上的分割方法也不尽相同，这并不影响对系统性能的定性分析。图,.3绘出了自动控制系统的典型伯德图，从其中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：1）中频段以.-40db/dec的斜率穿越0db线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。2）截止频率（或称剪切频率）!d越高，则系统的快速性越好。3）高频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。4）高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。设计时往往须用多种手段，反复试凑。在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。采用微处理器数字控制后，控制器不一定是线性的，其结构也不一定是固定的，可以很方便地应用各种控制策略，解决矛盾就容易多了，具体设计时，首先应进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环控制系统，或称原始系统。然后，建立原始系统的动态数学模型，画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态性能。如果原始系统不稳定或动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足所要求的性能指标。3.3调节器设计Pi调节器 本次设计使用的是PI调节器，PI调节器的性能及原理为，调速系统的动态校正装置，常用PI调节器。采用模拟控制时，可用运算放大器来实现PI调节器，图中和分别表示调节器输入和输出电压的绝对值，图中所示的极性表明它们是反相的；为运算放大器同相输入端的平衡电阻，一般取反相输入端各电路电阻的并联值，按照运算放大器的输入输出关系，可得 (1)式中 调节器比例部分的放大系数； 调节器比例部分的放大系数,由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分叠加而成。当初始条件为零时，取式(1)两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器的物理意义：突加输入电压时，输出电压首先突跳到，保证了一定的快速响应。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因此快速性被压低了，换来对稳定性的保证。如果只有的比例放大作用，稳态精度必然要受到影响，但现在还有积分部分。在过渡过程中，电容C1由电流i,恒流充电，实现积分作用，使线性地增长，相当于在动态中把放大系数逐渐提高，最终满足稳态精度的要求。如果输入电压一直存在，电容C1就不断充电，不断进行积分，直到输出电压达到运算放大器的限幅值时为止，称作运算放大器饱和。为了保证线性放大作用并保护系统各环节，对运算放大器设置输出电压限幅是非常必要的。在实际闭环系统中，当转速上升到给定值时，调节器的=0，积分过程就停止了。3.4利用PI调节器对系统校正 原始系统的开环传递函数根据稳态参数计算结果，闭环系统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相应的闭环对数幅频及相频特性绘于图3-2其中三个转折频率 （或称交接频率）分别为由图3-1可见，相角裕度和增益裕度HN 都是负值，所以原始闭环系统不稳定。和用代数判据得到的结论是一致的。图3-1原始闭环直流调速系统伯德图为了使系统稳定，设置PI调节器，设计时须绘出其对数频率特性。考虑到原始系统中已包含了放大系数为 的比例调节器，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相应的对数频率特性如图3-2所示。鉴于，所以对数幅频特图3-2调节器在原始系统基础上添加部分的对数频率特性性的 低 频 部 分 斜 率 首 先 是 积 分 环 节 的-20db/dec，在频率,处穿越0db线，然后起作用的才是比例微分环节，在处向上转折，斜率变成0db/dec。与此相应，可画出对数相频特性。将图3-1和图3-2画在同一张坐标纸上，然后相加，即得校正后系统的开环对数频率特性。由于必须在确定和值以后，才能具体画出图3-3实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能得到满意的结果。图3-2 PI调节器在原始系统基础上添加部分的对数频率特性图3-3闭环直流调速系统的PI调节器校正原始系统的对数幅频和相频特性 校正环节添加部分的对数幅频和相频特性 校后系统的对数幅频和相频特性对于闭环调速系统，可以采用比较简便的方法。由于原始系统不稳定，表现为放大系数 K过大，截止频率过高，应该设法把它们压下来。因此，把校正环节的转折频率设置在远低于原始系统截止频率&d,处。为了方便起见，可令 =使校正装置的比例微分项 原始系统中时间常数最大的惯性环节 对消 （并 非必须如此）,从而选定其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以-20db/dec的斜率穿越0db线，必须把图3-3中的原始系统特性压低，使校正后特性的截止频率 这样，在 处，应有根据以上两点，校正环节添加部分的特性就可以确定下来了。由图3-3的原始系统对数幅频和相频特性可知因此 为了使 在特性、可以看出， 所以 已知 因此 而且 于是，PI调节器的传递函数为最后，选择PI调节器的参数。从图上可以看出，校正后系统的稳定性指标 和增益裕度GM都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度，并可以通过调节器来实现电动机在0-1500rpm之间的连续可调；能在闭环系统稳定的情况下使系统达到无静差调节；在外加干扰的情况下最后可以通过检测与反馈系统使电动机自动运行趋于稳定的状态达到稳态无差。总结通过直流电动机单闭环系统的课程设计，使我了解了自动控制原理这门课所应用的领域以及所起的作用，通过对初步知识的了解，对校正系统