单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真一

1、课题:一、单闭环直流调速系统的设计与Mat I ab 仿真（一）作者：学号：专业：班级: 指导教师：摘要在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态 性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比 例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差， 可利用积分调节器代替比例调节器。通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调 速系统的最优模型，然后用此理论去设计一个实际的调速系统。本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数,当明确了系 统传函

2、之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。另外，设计过程中还要以Mat lab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。摘要：Mat lab开环闭环负反馈静差稳定性V-M系统目录摘要2、设计任务41已知条件42、设计要求4二、方案设计51、系统原理52控 制 结 构 图6三、参数计算7四、PI调节器的设计9五系统稳定性分析11六、小结12七 参考文献13、设计任务1、已知条件已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统(V-M系统)的结果如 图所示。图中直流电机的参数： Pnom二2. 2KW, nnom=1500r/mi n, lnom=12. 5A, Unom二220, V电

3、枢电阻Rah欧，V-M系统主回路总 电阻R=2.9欧，V-M系统电枢回路总电感L=40mH,拖动系统运动部 分飞轮力矩GD2=1.5N.m, 2测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi型，整流触浏速反惯系数图15-1转速单闭环调速系统的Simulink动态结构图Ks=44三相桥平均失控时间2、设计要求：(1) 生产机械要求调速范围D二15(2) 静差率sW5%,(3) 若U*n=10V时，n=nnom=1500r/mi n,校正后相角稳定裕度Y=45 o,剪切频率 3 c35. Orad/s，超调量o W30%，调节时间ts W0. 1s二、方案设计仁控制原理根据设计要求，所设计的系统应为

4、单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。所以，设计如下的原理图:图1、单闭环：fi流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号 反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电 力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶 闸管可控整流器调节对电机的电源供给。所以，更具体的原理图如下:0图2、单闭环直流调速系统具体2、控制结构图有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表 示，就得到了系统的稳态结构框图。图3、单闭环直流调速

5、系统稳态同理,用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换 环节是一个时间常数很小 的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机 是一个二阶线性环节。所以，可以得到如下的框图：图4、单闭环直流调速系统动态三、参数计算：根据已知参数计算如下：1、为了满足DJ5, SW 5%,额定负载时调速系统的稳态速降为：nns1500 0.05rici N r /min 5. 26r /minD(1 s) 15 (1 0.05)2、根据错误！未找到引用源。no ,求出系统的开环放大系数先

6、计算电动机的电动势系数U N I N RaCe(220 12 51)V0.1383V min/ rnN1500r /min则开环系统额定速降为opr /min 262. 11 r /min2. 9Ce闭环系统的开环放大系数应为nop262. 11K op 1 1 49.83 1 48.83 nd5. 263、计算测速反馈系数：Un=kA UnUn*-Un=AUn带入已知条件 K=48. 83 , Un*=10V 得 Un=9. 8V所以反馈系数a= Un二9 8二0. 0065nnom 15004. 计算运算放大器的放大系数和参数K KCe 48.83 0. 1383 23.6Ks 0.006

7、5 44实取错误！未找到引用源。K P23.6按运算放大器参数，取 错误！未找到引用源。Ro 40K错误！未找到引用源。Ri K PRo 23. 6 40K 9 45K5. 反馈电压U n nN 1500 0. 0065V 9. 75V6. 系统中各环节的时间常数:电磁时间常数Ti电机时间常数Low 0. 0138sR 2. 9on 2d1.5 2. 9375C C30s 0.0635s对于三相桥式整流路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts 0. 00167 s为保证系统稳定，开环放大系数的稳定条件Tm(Ti Ts ) Ts2 0. 0635 (0.0138 0. 00167) 0. 001672

8、KTiTs0.0138 0.0016742-75=Kcr按稳态调速性能指标要求KKcr ,因此，此闭环系统是不稳定 的。四、PI调节器的设 计由于闭环系统不稳定，利用伯德图设计PI调节器，使系统在 保证稳态性能要求下稳定运行。原始系统的开环传递函数为KW(S)(T. 1) (TJ. s2 T.s 1)由上已知 Ts 0. 00167s, Ti 0.0138s, Tm 0.0635s,在这里，Tm4Ti ,因此分母中的二次项T.Ti s2 Tms 1可分解成两个一次项之积，即TmTi s2 Tms 1 0. 0008763s2 0. 0635s 1 (0. 0432s 1) (0. 0203s

9、1)则闭环的开环放大系数取为k KPK s23. 6 44 0. 0065 48.8o0. 1383于是， 是原始闭环系统的开环传递函数W(s)-488(0. 0432S 1) (0. 0203S 1) (0. 0167S 1)三个转折频率分别为：W1=1/T1=1/0. 0432=23. 1sW2=1/T2=1/0. 0203=49. 3sW3=1/T3=1/0. 0167=600s利用margin命令函数n1 = 0 48. 8 ; d1 = 0.0432 1;s1=tf (n1,d1) ; n2=0m幷般二仙；唆砒0诃9迈Ztf 52, d2)1 ; s3=tf (n3, d3);sys

10、=s1*s2*s3;marg i n(sys)得出原始的闭环调速系统的频率特性如下图2而 201gK二201g48. 8=33.77dB因为相角裕度和增益裕度GM都是负值，所以原始闭环系统不 稳定。现在换成PI调节器，它在原始系统的基础上新添加1K pi S 1J Wpi (s)Kp20lgK 20lg 2 40lg c1 201g 2 ( c1)2 20lg c112 12 12所以 C1 K 1 2 48. 8 23. 1 49. 3s 1 235. 74s 111 1取 K Pi Ti 0. 0432s,为了使 c249. 3s 1,取 c2 40s 1,则 Li L2 30dBKK所以

11、 20lg p 30dB, p 31.6,已知 K .23. 6,所以 K75 s宀宀a cw 0. 0576T 0.0432 Kpi0. 75于是，PI调节器的传递函数为Wpi(S)0. 0576s 取9选择PI调节器的阻容参数。已知Ro4OK ,贝IRi K piRo 0. 75 40K 30K ,取 Ri0. 05761.44 F40那么校正后的动态图如下:借号综合1第定倍号比例调节器 町控硅鞭流器IS.441 口。沖口 41/2.92.910.00167尸 10.013昭100635s0 1383电势系数电机电枢 传递函数传动装置 传递函数转速”0 0065测速反馈系数五、系统稳定性分

12、由Simulink的动态模型绘制校正Bode图 后系统【A, B, C, D】=linmod( mx009B，);SO二ss (A, B, C, D);S1=tf (sO);Step (s1);Frequency (racsec)相角裕度Y =45deg和增益裕度GM=23. 2dB都是正值，所以原始闭环系统稳定。由 Simulink的动态模型绘制校正后系统单位阶跃响应曲线【A,B,C,D】 =linmod( %x009B，):SO二ss(A, B, C, D);S1=tf (sO);Step (s1);运行程序后绘制系统单位阶跃响应曲线如下:六、心得体会经过这次的课程设计，我学会了很多平时没有接触的知识。已掌 握的自动控制知识在本次实践中得到了充分的发挥。在和同学合作的 过程中，我也充分体会到了团结协作的重要性。完成了本次课程设 计。经过这次课设，我学习并掌握了自动控制的基本工作原理，了 解了基 本知识，拓展了知识面。温故知新，收获蛮多。这次设计尚存 在很多缺点和不足，希望老师