运动控制系统综合课程设计

第控制系统综合课设计讲师：年级专业姓名，学生编号54962013年12月27日标题和要求设计主题：DC调速系统的计算机仿真设计内容(指标和参数):(1)静态精度(滑差S)，当电网电压波动10%，负载变化20%，频率变化1HZ，S5%，电流和转速超调，振荡次数N (2 3)，D10 15；(2)电机数据：额定电流136A，额定电压230V，功率30KW，额定速度1460 rpm，潜在速度比电枢电阻R=0.5，过载系数=1.5，可控硅整流器KS=40。(3)转速发电机，永磁型，额定数据：电压110伏，电流0.045安，速度1900转/分。内容前言12系统组成和工作原理13调速器和电流调节器的参数设计23.1静态计算23.2动态计算23.2.1电流调节器(内环)动态参数的计算23.2.2调速器(外环)动态参数的计算44系统模拟和分析74.1系统仿真模型的建立和仿真74.2模拟调试分析7结论8参考文献91前言DC速度控制系统是一种传统的速度控制系统。从19世纪80年代到19世纪末，DC发动机一直是工业传动中唯一使用的模式。它具有速度稳定精度高、调速比大、响应时间短等特点。它适用于大范围的平滑调速，因此广泛应用于轧钢、机床、轻工、计算机、飞机传动机构等领域。近年来，交流调速系统发展迅速，被科技含量高的西方国家广泛采用。与DC速度控制相比，交流速度控制有其固有的优点：结构简单、坚固耐用、经济可靠、小动态对应性能好等。它还可以实现高速拖动。然而，DC驱动系统在理论和时间上都比较成熟，具有良好的启动和制动性能。从反馈闭环控制的角度来看，DC传动控制系统是交流传动控制系统的基础，所以我们应该很好的掌握DC传动控制系统。然而，DC速度控制系统的设计是一项庞大的系统工程。经过分析、计算、设计、安装等一系列工作的系统能否一次调试成功，关系到投入的大量人力、财力、物力是否会被浪费。因此，DC速度控制系统在投入运行前通常需要进行仿真和调试。利用Matlab/Simulink仿真工具对DC调速系统的参数进行有效调试，可以非常直观地观察电机的电流和速度响应，进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。本文利用Matlab仿真工具对DC调速系统进行了仿真分析。通过仿真方法调整理论设计得到的参数，找出系统调节器的最佳参数。仿真结果可用于指导实际系统的设计。2系统组成和工作原理速度和电流双闭环调速系统由速度调节器ASR、电流调节器ACR、电力电子控制单元GT、脉宽调制可调电压单元V、电感L、DC电机M和速度检测单元TG组成。原理框图如图1所示，动态框图如图2所示。图1速度和电流双闭环速度控制系统原理框图0图2带转速和电流的双闭环速度控制系统原理框图的动态框图。其中，ASR是转速表环节；ACR是当前的调节环节；以电力电子转换装置为代表的惯性环节；DC汽车链接；对于速度反馈系数；是电流反馈系数。工作原理如下(班华，2012):电机转速由给定电压Un*决定，调速器ASR的输入偏差电压为U=Un *-Un，调速器ASR的输出电压Ui*作为电流调节器ACR的给定信号(输出极限值Uim*决定电流调节器给定电压的最大值)。电流调节器ACR的输入偏差信号为U=Ui *-Ui，ACR的输出电压Uct直接控制可调电压单元V作为电力电子触发电路GT的控制电压(其输出的极限值Utm决定晶闸管整流输出电压的最大值)。改变控制电压Uct可以改变触发器的控制角度和整流后的输出电压Uod，从而相应地改变电机的转速，达到调速的目的。3调速器和电流调节器的参数设计3.1静态计算根据调速范围和静态误差率的要求。如果测速反馈输出电压为10V，则速度反馈系数为：ASR调节器饱和输出为12V，系统最大输出电流为，则电流反馈系数为：0.05。3.2动态计算3.2.1电流调节器(内环)动态参数的计算(1)简化电流回路结构。由于电流响应过程比速度响应过程快得多，假设在电流调节过程中，速度来不及改变，因此没有考虑反电动势E的影响，因此反电动势的反馈支路相当于断开，然后反馈环节相当于移入回路。因为总和通常比总和小得多，它可以在小惯性环节中处理，所以它是取。简化条件满足扰动下的闭环传递函数：电流回路结构图最终被简化，如图3所示。图3电流环动态结构简图(2)电流调节器的选择(高金元，夏杰，2007)。对于经常启动制动的生产机器，希望电流回路具有良好的跟随性能，并且启动过冲越小越好。在这种情况下，应选择典型的一类系统设计电流回路。如果生产机械工作环境中的电网电压波动较大，希望电流回路具有较强的抗电网电压扰动能力。从这个角度来看，电流回路应该用典型的第二类系统来设计。此外，电流回路中两个时间常数的比值也可以决定选择方案。这里选择典型的工字型系统作为当前的回路设计。图3示出了电流调节ACR的调节对象是双惯性环节。为了将电流回路校正到典型的一类系统中，ACR功能必须采用pi调节器的形式。它的传递函数是为了消除控制对象的大惯性时间常数的极点并进行选择，电流回路的动态结构图被简化，如图4所示。图4被校正为典型的I型系统的电流回路其中，得到了较为典型的二阶开环传递函数。(3)电流调节器的参数选择(胡守松，2003)。电流调节器参数为和。它现在已被选中，并取决于所需的动态性能指标。因此，三相桥式整流电路的平均失控时间为：电流滤波时间常数：电流回路的小时间常数：ACR时间常数：又是因为，拿着ACR的比例因子为：(4)实际电路的参数计算。根据上述数据，模拟电子电路实际电路的电气部件的参数计算如下取：R0=40K，取40K；，拿着；拿着。实际电路图如图5所示。其中D1、D2、W1和W2形成一个限制电路。图5电流回路示意图3.2.2调速器(外环)动态参数的计算(1)速度环的闭环传递函数。在设计转速环时，设计的电流环作为转速调节器调节对象的一部分，因此电流环的传递函数为转速环的截止频率较低，因此电流闭环传递函数可以简化为近似处理，即当考虑图5的输入信号时，电流环等效于闭环传递函数电流回路的等效时间常数为0.0074s，转速的滤波时间常数为0.01s速度环小时间常数s(4)调速器参数的选择根据性能指标，选择h=5，提前期常数速度环开环增益ASR比例因子为：速度截止频率(5)实际电路的参数计算。根据上述数据，模拟电子电路的实际电路的电气部件的参数计算如下：取R0=20K=KnR0=11.740=468，取70K。=n/=0.087/470=0.185F，取0.2F。Con=通/R0=40.01/40=1F。走1F。实际示意图如图7所示。通过计算，最终得到系统动态框图，如图8所示。图7调速器示意图图8电机双闭环调速系统动态结构图4系统仿真与分析4.1系统仿真模型的建立和仿真从图8的DC电机双闭环速度控制系统的动态结构图，可以在Matlab/Simulink仿真平台上构建仿真框图，如图9所示。当电网电压波动10%，负载变化20%，频率变化1HZ时，仿真结果如图10所示。图9电机双闭环调速系统仿真系统框图图10电机双闭环调速系统速度仿真波形从图10可以看出，系统的静态精度、转速过冲、过度转速过冲和相对稳定性都很弱。整个启动过程仅需0.7s，系统具有良好的快速性。4.2模拟调试分析通过以上仿真分析，与电机的理想起动特性相比，仿真结果与理论设计相差甚远。因为在“典型系统的优化设计方法”中，一些非线性环节被简化为线性环节，例如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的极限输出特性近似为线性环节。经过大量的仿真和调试，改变了电流和速度环调节器的参数，并考虑了电流、速度超调和启动时间等性能指标。最佳参数如下：调整后的模拟波形如图11所示。图11调整后的速度模拟波形从图11可以看出，调整转速和电流调节器的参数后，静态精度s仍为2.2%5%，转速超调、静态精度和超调满足设计要求。整个启动过程约为0.6秒，系统的速度仍然很好。此外，该系统还具有良好的抗负载扰动和电源扰动能力。结论以上分析表明，系统仿真满足设计要求。利用Matlab/Simulink仿真平台设计和调试DC调速系统，使系统性能分析过程变得简单。通过对系统的仿真，可以准确理解理论设计与实际系统之间的偏差，逐步完善系统结构