单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真资料

1、课题：一、单闭环直流调速系统的设计与Matlab 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 统传函之后，再进行

2、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 Matlab 为工具，以求简明直观而方便 快捷的设计过程。摘 要：Matlab开环闭环负反馈 静差 稳定性V-M 系统目录摘要 2 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 一、设计任务4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1、 已知条件4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2、设计要求4 HYPERLINK l bookmark14 o Curren

3、t Document 二、方案设计51、系统原理5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2、控制结构图6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 三、参数计算7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 四、PI调节器的设计9五、系统稳定性分析11六、小结12 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 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

4、参数： Pnom=2.2KW ， nnom=1500r/min ， Inom=12.5A, Unom=220V,电枢电阻Ra=1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.m2,测速发动机为永磁式，ZYS231/110 xi型，整流触 发装置的放大系数Ks=44，三相桥平均失控时间Ts=0.00167s。團15-1转速单闭环调速系统的Simulink动态结构图2、设计要求：生产机械要求调速范围D=15静差率sW5%，若 U*n=10V 时，n=nnom=1500r/min，校正后相角稳定裕度 Y =45o,剪切频率

5、3c$35.0rad/s，超调量。30%，调节时间tsW0.1s二、方案设计1、控制原理根据设计要求，所设计的系统应为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 、单闭环直流调速系统原理图电源图 1 、单闭环直流调速系统原理图电源给定速度 变换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，

6、更具体的原理图如下：Ri04MTGa丘balRi04MTGa丘bal图 2 、单闭环直流调速系统具体原理图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 、单闭环直流调速系统稳态结构框图同理，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结构框图三、参数计算：根

7、据已知参数计算如下：1、为了满足D=15, sW5%，额定负载时调速系统的稳态速降为:. n s1500 x 0.05. ._ _ ,.An 二 n -1 二 49.83 -1 二 48.83An5.26cl3、计算测速反馈系数：Un二k-AUnUn*-Un二AUn带入已知条件 K= 48.83 ，Un*=10V 得 Un=9.8V所以反馈系数a= Un = 9.8 =0.0065nnom 1500计算运算放大器的放大系数和参数KC48.83x 0.1383K =e = 23.6p a K0.0065 x 44实取错误!未找到引用源。K二23.6p按运算放大器参数，取错误!未找到引用源。 R

8、二 40 KG0错误!未找到引用源。R 二 K R 二 23.6x40KG = 945KG1 p 0反馈电压U 二 n xa 二 1500 x0.0065V 二 9.75V nN6系统中各环节的时间常数：电磁时间常数Tl = L =營=0138S电机时间常数1.5 x 2.9T = Gdr =、；0s = 1.5 x 2.9m 375CCm 375 x 0.1383 x 30 x 0.1383兀对于三相桥式整流路，晶闸管装置的滞后时间常数为T 二 0.00167 ss为保证系统稳定，开环放大系数的稳定条件T(T + t ) + T 20.0635 x (0.0138 + 0.00167) +

9、0.001672TT0.0138 x 0.00167ls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W (s)二(T +1)(T T s2 +T s +1)sm l m由上已知 T 二0.00167s，T 二0.0138s，T 二0.0635s,在这里，T 4T，slmm l因此分母中的二次项T Ts2 + T s +1可分解成两个一次项之积，即 m l mT Ts2 + T s +1 二 0.0008763s2 + 0.0635s +1 二(0.04

10、32s +1)(0.0203s +1) m l m则闭环的开环放大系数取为e23.6 x 44 x 0.00650.1383e23.6 x 44 x 0.00650.1383是，原始闭环系统的开环传递函数是W(s)=48.8W(s)=(0.0432S + 1)(0.0203S +1)(0.0167 S +1)三个转折频率分别为：W1=1/T1=1/0.0432=23.1 s-1W2=1/T2=1/0.0203=49.3 s -1W3=1/T3=1/0.0167=600 s -1利用margin命令函数n1=0 48.8; d1=0.0432 1; s1=tf(n1,d1);n2=0 1;d2=

11、0.0203 1;s2=tf(n2,d2);n3=0 1;d3=0.00167 1;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始的闭环调速系统的频率特性如下图w110-101w110-101101CI*1 0Freq uenc/ CradAsec)日口dE Qia gramGm = -4.17 dB (at 191 radJsee) . Pm = -7.-S deg (at 240 ra d/sec需巴 sses而 20lgK=20lg48.8=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

12、上新添加部分的传递函数应为1K TS + 1W (s)=吐K piK Tspp TOC o 1-5 h z 333 33 220lgK 二 20lg 2 + 40lg ci 二 20lg 2( ci)2 二 20lg 丄333 3331 2 1 2 1 2所以 3 = ：K3 3 = *4&8 x 23.1 x 49.3s-i = 235.74s-icl %121取K t = T = 0.0432s,为了使3 = 49.3s-1,取3 = 40s-1,则L =-L = 30dBpi 1c 2Tc 2122KK23.6所以 20lg p = 30dB, p = 31.6，已知 K = 23.6,

13、所以 K = 0.75KKppi 31.6piPipi0.04320.75= 0.0576曰是，pi0.04320.75= 0.0576曰是，PI调节器的传递函数为W (s)=pi0.0432s +10.0576s最后，选择PI调节器的阻容参数。已知R0 = 40K0，则R 二 K R 二 0.75 x 40KG = 30K0,取R 二 3OK0, C = =5 二 1.44pF1 pi 011 R 400那么校正后的动态图如下：O.DOI67ji-lOp址恻凋节器町推晡IZ2.92.91O.DOI67ji-lOp址恻凋节器町推晡IZ2.92.91厂(10出缶0J3S3屯机电相传动装置电势乘数

14、阵递函數轻递函数0.0065五、系统稳定性分析由 Simulink 的动态模型绘制校正后系统 Bode 图 【A,B,C,D】=linmod(mx009B);S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);运行程序后绘制系统Bode图如下：Bo-de DiagramGm = 23.3Bo-de DiagramGm = 23.3iB (al 1rad.B，ss匚卜,Prn = 4B.Z deg (at 34七 rad/sec)1G51G11G21Q31G5Frequency (rad/sec)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(mx009B);S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);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，