单闭环直流调速系统 课程设计

综合课程设计说明书Matlab真（一）学院：机电与汽车工程学院专业班级：电气工程与自动化专业（1）姓名：目录第一章概述 2第二章调速控制系统的性能指标 3直流电动机工作原理 4电动机调速指标 4直流电动机的调速 5直流电机的机械特性 5第三章单闭环直流电动机系统 6V-M系统简介 6闭环调速系统的组成及静特性 7反馈控制规律 8主要部件 9稳定条件 11稳态抗扰误差分析 12第四章单闭环直流调速系统的设计及仿真 14参数设计 14参数计算及MATLAB仿真 15第五章总结 24参考文献2第一章概述其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。速装置、电动机-发动机、闭环控制系统等组成，我们可以速系统的设计及仿真做以下介绍。3第二章调速控制系统的性能指标一、直流电机的构成定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；(2(3)气隙二、直流电机的励磁方式按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励电机向负载输出机械功率。电动机调速指标影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。动态性能指标:主要是平稳性和抗干扰能力。调速范围：生产机械在额定负载时要求电动机提供的NmaxNminDD=NmaxNmin4静差率：调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由n速nss=n0

100%=

n

100%0n n00 0下调之分。数来说明。调速可分为有级调速和无级调速。直流电动机的调速励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，在励磁电压Uf

的作用下，励磁绕组中通过励磁电流I，从而产生磁通。在电枢电压Uf

的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia

他励直流电动机的转速公式：n=E=UIRC CE E式中UIE磁通；C为由电机结构决定的电动势系数。E他励电机的调速方式有三种：电枢回路串电阻的变电阻调速。在实际应用中，我们通常采用变电压调速。直流电机的机械特性5他励直流电动机中转速和转矩之间的关系为n=

Raa Ta

nC CE

C2 0 0T式中n

为电动机的理想空载转速，其值为 Un0 0 Cn0 E是机械特性的斜率，n是转速差。他励直流电机的固有特性曲线如图所示：第三章单闭环直流电动机系统Ｖ－Ｍ系统简介晶闸管－电动机调速系统（简称V-M系统原理图如下：6或者更多相，半波、全波、半控、全控等类型。冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。向，给系统的可逆运行造成困难。2dudi都十分敏dt dt坏，因此必须有保护装置和散热条件。闭环调速系统的组成及静特性转速反馈控制的闭环调速系统，其原理图如下：a线性的。bc、忽略直流电机和电位器的内阻。Un

UUn n放大器：UKU（K--放大器的电压放大系数）c p n p晶闸管整流与触发装置：Ud0

KUsc

（K-晶闸管整流与触发s7装置的电压放大系数）V-Mn

U IRd0 dC测速发电机：Utg

en（-测速反馈系数，单位为Vmin/r）因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式为KKUIR KKU IRn p sn d p sn dC(1KK/C) C(1K) C(1K)e p s e e e式中KK

K/C

为闭环系统的开环放大系数，这里是以ps e1nC e

作为电动机环节的放大系数的。静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩构图如图所示:反馈控制规律k的稳定性影响很大，kk只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为8n RId

K

时其值为0，而这是不可能的。d CK)e主要部件1的原理图及输出特性：U 和in

ex

cef

为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响，放大系数为:RKUex 1Rp U Rin 02、比例积分放大器在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高，中，底三个频段，频段的界限是大致的，一般的调速系统要PIPIW(s)pi

U(s)csU(s)in

K 1pi

Ks1pis9RK Rpi R0

--PI调节器比例放大部分的放大系数；RC--PI调节器的积分时间常数；0此传递函数也可以写成如下形式：W(s)pi

s1K11

s11s11式中KRC--PI1 pi 11PI特性如图所示将PPI

1WK p

(s)K

s1piKp来稳定性的保证。2、额定励磁下直流电动机10U

L

dE

（主电路、假定电流连续）d0 d dtECn （额定励磁下的感应电动势）eTTe

GD2375 dt

（牛顿力学定律，忽略粘性摩擦）TCIe m

（额定励磁下的电磁转矩）L式中T包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm；LGD2为电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2；C30Cm

Nm/A定义下列时间常数：TL--电枢回路电磁时间常数，单位为s;f RT GD2m Cem

--电力拖动机电时间常数，单位为s;得电压与电流间的传递函数：

Id(s) I/RU (s)E(s) Id0 f

s1电流与电动势间的传递函数： E(s) RI(s)I(s) Tsd df m额定励磁下直流电动机的动态结构图如图所示：稳定条件反馈控制闭环调速系统的特征方程为TTT

T

T

TTmfss3m

s

ss101K

1

1K11稳定条件为T(T

T) T

TTTm f s

smf

s01K 1K 1K整理后的TT)T2Km f s sTTfs装置，才能达到要求。稳态抗扰误差分析1、比例控制时的稳态抗扰误差采用比例调节的闭环控制有静差调速系统的动态结构图为当U0时，之扰动输入量I，n dl这时的输出量即为负载扰动引起的转速偏差n，其计算公式I(s)R(Ts1)(Ts1)nlimsn(slim

df C s l IRe dlsTs2Ts1)K C(1K)s0 s0 s mf m e这和静特性分析的结果完全一致。2、积分控制时的稳态抗扰误差12采用积分调节的闭环控制的动态结构图为：突加负载时I

(s)Idl

，于是dl sCslIdlR(Ts1)(Ts1)Csln(s) eKsTs2Ts1) sCs ml me负载扰动引起的稳态速差为：IdlR(Ts1)(Ts1)n(s)limsn(s)lim

C s l =0eKes0

s0sTs2Ts1) sCs ml me可见积分控制的调速系统是无静差的。3、比例积分控制时的稳态抗扰误差比例积分控制的闭环系统的动态结构图为则稳态速差为：n(s)limsn(s)lim

IdlRs(Ts1)(Ts1)C s fe s0

s0s(Ts1)(TTs m

s2Tm

s1)

s(KCe

s1)pi4、稳态抗扰误差与系统结构的关系13就其性能来说，比例控制是有静差的，而积分控制和比点以前有积分环节，则外扰动不会引起稳态误差。第四章单闭环直流调速系统的设计及仿真参数设计对某直流拖动系统进行参数计算、建立其MatlabMatlab（V-M动态结构如图所示：比例调节器比例调节器可控硅整流器电机电枢传递函数传动装置传递函数电势系数给定信号+-12KpKTs1ss-1/RTfs11转速nRTsmC1eKt测速反馈系数图中直流电机的参数：Pnom

=2.2KW，

nom

=1500r/min，I =12.5A，Unom

nom

=220V，电枢电阻Ra

=1，V-M14电阻R=2.9，V-ML=40mH运动部分飞轮力矩GD2=1.5Nm2，测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi型，整流触发装置的放大系数Ks平均失控时间T=0.00167s。s

=44，三相桥二、设计要求生产机械要求调速范围D=15s5U*n=10V时，n=nnom=1500r/min，校正后相角稳定裕度γ=45o，剪切频率ts≤0.1sMATLAB一、稳态参数计算1K。（1、额定磁通下的电机电动势转速比CCUe

nom

I Rnoman

e22012.510.13831500nom、满足系统调速范围与静差率要求的闭环系统稳态速降n n s 15000.05nom 5.2632r/cl D(1s) 15(10.05)、开环系统稳态速降nopn op

I nomCe

12.50.1383

262.1114r/min、根据自动控制理论有15nK opn

1=262.111448.80085.2632环放大系数K=48.80082、计算系统测速反馈系数Unnnom对单闭环调速系统有静差结构图如图所示:UUnUnIRd--KpKs1CenUn根据自动控制理论有如下方程组。UKUn

式中:KKKCp CeUUn n

Un代入已知条件，得U48.8008Un n10Un

Un解次方程组得0.0065Vmin/rKt3、计算比例调节器的放大系数KpK、测速反馈系数、电机电动势转速比C与放大系数K之间满足关系e p16式：KKKp s Ce

代入计算得K23.5984p4、计算参数Ta

与T。m、电枢回路电磁时间常数Ta

LRL40mH R代入计算的 Ta

0.0138s、系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数Tm

GD2RCem代入数据计算得Tm

0.0635s5、绘制带参数单闭环调速系统的Simulink动态结构图。下图即为模型mx1501.mdl,图中 = 0.0065V.min/r.1In1

4423.6 0.00167s+1TransferFcnGain

1/2.90.0138s+1TransferFcn1

2.90.0635sTransferFcn2

10.1383TransferFcn3

1Out1Gain10.00656、计算闭环系统临界开环放大系数。根据自动控制理论的代数稳定判据，系统稳定的充要条件为 T

TT2，其临界开环放大系数

T

T)T2Km a s sTT

K m a s cr TTas asT0.0635;Tm

0.0138;Ts

0.00167 代入计算得闭环系统临界开环放大系数为Kcr

42.7464。二、稳定性分析1、计算系统闭环特征根以验证系统能否稳定运行。[a,b,c,d]=linmod('smx1501');17s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sys1=zpk(s1);P=sys.den{1};roots(P)程序运行结果ans=1.0e+002*-6.79440.0409+2.2377i0.0409-2.2377i经过程序计算得系统的两个特征根为0.04090.0409系统不能稳定运行。2Kp=20Kp=21响应曲线以验证系统能否稳定运行。（1） Kp=20K。根据 ，有>>symsKpKsCealpha;>>Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;18>>K=Kp*Ks*alpha/Ce程序运行结果K=41.3594即Kp=20K=41.3594。（2）当Kp=20[a,b,c,d]=linmod('smx1501');>>s1=ss(a,b,c,d);>>sys=tf(s1);step(sys);ppmA

30025020015010050

StepResponse00 1 2 3Time(sec)

4 5 6所示。Kp=21K=43.4273程序如下19symsKpKsCealpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/CeK=43.4273当Kp=21程序如下[a,b,c,d]=linmod('smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys);StepResponse1500StepResponse1000ptilmAp

0-500-1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5Time(sec)

3 3.5 4 4.5 5由曲线可看出，系统越发不稳定。3、分别以相角稳定裕度与剪切频率为校正主要指标对系统进行滞后校正。模型mx1501.mdl的开环模型为mx1501A.mdl如下图所示20441/2.92.91In123.60.00167s+1TransferFcn0.0138s+1TransferFcn10.0635sTransferFcn2Gain10.1383TransferFcn3Gain10.00651Out10.1383TransferFcn3Gain10.00651Out>>s2=tf(s1);gama=48;[Gc]=lagc(1,s2,[gama])程序运行结果Transferfunction:0.1611s+11.699s+1wc=35;[Gc]=lagc(2,s2,[wc])程序运行结果Transferfunction:0.2857s+16.26s+1即以相角稳定裕度为校正主要指标的滞后校正器为,而以剪切频率为主要校正指标的滞后校正器为 。验算设计的校正器的校正结果。1对以相角稳定裕度为校正主要指标的校正器为。程序如下[a,b,c,d]=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);>>gama=48;[Gc]=lagc(1,s2,[gama]);>>sys=s2*Gc;>>margin(sys)22MdeaP

500-50-100-1500-90-180

BodeDiagramGm=18.5dB(at202rad/sec),P m=47.7deg(at62.3rad/sec)-27010-2 10-