单闭环直流调速系统 课程设计

1、。综合课程设计教学课题：单闭环DC调速系统的设计及Matlab仿真真(1)学院：机电和汽车工程学院专业课：电气工程及自动化(1)课名称：学生编号：07240113讲师：目录第1章概述2第二章调速控制系统性能指标32.1电机4的工作原理2.2电机调速指标42.3电机5的速度调节2.4电机的机械特性5第3章单闭环DC电机系统63.1 V-M系统介绍63.2闭环调速系统的组成和静态特性73.3反馈控制法则83.4主要组件93.5稳定条件113.6稳态抗扰度误差分析12第四章单闭环DC调速系统的设计与仿真144.1参数设计144.2参数计算和MATLAB仿真15第5章总结24参考第一章概述电机是用来拖

2、动某一生产机械的动力设备，因此需要根据工艺要求调整其速度，用来完成这一功能的自动控制系统称为速度控制系统。目前，速度控制系统分为交流速度控制系统和DC速度控制系统。由于DC速度控制系统速度控制范围广、静态误差率小、稳定性好、动态性能好，几乎所有高性能速度控制系统都长期采用DC速度控制系统。然而，近年来，随着电子工业和技术的发展，高性能交流调速系统越来越广泛。单闭环DC电机调速系统在现代生活中应用广泛，其良好的调速性能和低廉的价格越来越被大众所接受。单闭环DC电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电机-发动机和闭环控制系统组成。我们可以通过改变晶闸管的控制角度来调节速度。本文介绍了单闭环

3、DC调速系统的设计和仿真。第二章是速度控制系统的性能指标2.1电机的工作原理1.DC汽车的组成(1)定子：主磁极、换向磁极、底座、端盖和电刷装置；(2)转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向装置、风扇和转轴；(3)气隙2.DC电机的励磁方式根据励磁方式的不同，DC电机可分为四种类型：单独励磁、并联励磁、串联励磁和复合励磁电机。在DC电机中，在电磁转矩的作用下，当电机驱动生产机械沿与电磁转矩相同的生产方向旋转时，电机向负载输出机械功率。2.2电机调速指标稳态指标：主要要求系统能在最高和最低速度范围内平稳调节，在不同速度下工作时能稳定运行，在一定速度下稳定运行时受负载变化和电源电压波动的影响较小。因此，它

4、的指标是速度控制系统的速度范围和静态速率。动态性能指标：主要是稳定性和抗干扰能力。(1)调速范围：生产机械额定负荷时电机要求的最高转速Nmax和最低转速Nmin之比称为调速范围，用D表示.也就是说，D=(2)静态误差率：当调速系统在一定速度下稳定运行，负荷从理想空载增加到规定负荷时，相应的速度下降与理想速度n0的比值用S表示，即s=100%=100%(3)调速方向：指调速后的速度是高于还是低于原速度，可分为向上调节和向下调节。(4)调速平滑性：用在一定调速范围内可以获得的速度序列来解释。调速可分为步进调速和无级调速。2.3 DC电机调速本文以单独励磁的DC电机为例说明DC电机的调速。独立励磁电

5、机的励磁绕组和电枢绕组由两个独立的DC电源供电。在励磁电压的作用下，励磁电流通过励磁绕组，从而产生磁通量。在电枢电压的作用下，电枢电流流经电枢绕组。分离励磁DC电机的速度公式；n=其中u为独立励磁电机的电枢电压；I是电枢电流；e是电枢电动势；r是电枢电路的总电阻；n是电机的转速；是激发通量。电动势系数由电机结构决定。分励电动机有三种调速方式：电枢电路串联电阻的变阻调速、电枢电压的变压调速和减小气隙磁通的弱磁调速。在实际应用中，我们通常采用变压调速。2.4电机的机械特性分离励磁DC电机中速度和转矩之间的关系是n=式中为电机的理想空载速度，其值为是机械特性的斜率，是速度差。独立励磁DC电机的固有特

6、性曲线如图所示：第三章单闭环DC电机系统3.1 v-m系统介绍晶闸管-电机调速系统(简称V-M系统)，其简单原理图如下：图中的VT是晶闸管可控整流器，可以是单相、三相或三相以上、半波、全波、半控、全控等。优点：通过调节触发装置GT的控制电压，可以改变触发脉冲的相位，即改变整流电压，实现平滑调速。缺点：1 .由于晶闸管的单相导电性，它不允许电流反向，这使得系统的可逆操作困难。2.元件对过压、过流和过和非常敏感，任何超过允许值的指标都可能在短时间内损坏元件，因此必须提供保护装置和散热条件。3.2闭环调速系统的组成及静态特性带速度反馈控制的闭环调速系统原理图如下：一、忽略各种非线性因素，假设每个环节

7、的输入和输出都是线性的。b、假设只有在连续区段工作的系统的开环机械特性。c、忽略DC电机和电位器的内阻。电压比较链接：放大器：(-放大器的电压放大系数)晶闸管整流器和触发装置：(-晶闸管整流器和触发装置设置电压放大系数)虚拟样机系统的开环机械特性；速度发生器：(-速度反馈系数，单位)因此，速度负反馈闭环调速系统的静态特性方程为这里是闭环系统的开环放大系数，这里是电机环节的放大系数。静态特性：闭环调速系统中电机速度和负载电流(或转矩)之间的稳态关系。根据各环节的稳态关系，画出闭环系统的稳态结组成如图：所示3.3反馈控制律从以上分析可以看出，闭环系统的开环放大系数K对系统的稳定性有很大的影响。K值

8、越大，静态特性越硬，稳态速度降越小。在一定的静态速率要求下，调速范围越宽，即K越大，稳态性能越好。然而，所设计的放大器是一个比例放大器，稳态速度差只能减小，而不能消除，因为闭环系统的稳态速度降只有0，而且只有当它的值为0时。3.4主要组件1.比例放大器：运算放大器用作比例放大器。该图显示了调节器的原理图和输出特性：和是放大器的输入和输出电压，是同相输入端的平衡电阻，用于降低放大器失调电流的影响，放大系数为：2.比例积分放大器当定性分析控制系统的性能时型调节器提前期常数。在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如图所示用比例积分调节器代替比例积分调节器，并在原系统中增加一些新的传递

9、函数，如下所示从图中可以看出比例积分的物理意义。当输入电压突然施加时，输出电压突然跳变，以保证一定的快速控制效果，但小于稳定性能指标所需的比例放大系数。因为速度被抑制了。以换取稳定的保证。比利积分调节器作为控制器，满足快速影响和消除静态误差的要求；作为一种校正装置，它可以提高系统的稳定性。2.额定励磁下的DC电机(主电路，假设持续电流)(额定激励下的感应电动势)(牛顿力学定律，忽略粘性摩擦)(额定激励下的电磁转矩)负载转矩类型包括电机空载转矩，单位为；将电驱动系统的运动部分转换为电机轴上的飞轮旋转瞬间：是电机额定励磁下的转矩电流比，单位为定义以下时间常数：-电枢电路的电磁时间常数，单位为s；-

10、电驱动的机电时间常数，单位为s；获得电压和电流之间的传递函数：电流和电动势之间的传递函数；额定励磁下DC电机的动态结构图如下：3.5稳定条件反馈控制闭环调速系统的特征方程为稳定的条件是完成后上述公式的右侧称为系统的临界放大系数。如果k值超过这个值，系统将会不稳定。根据以上分析，可能系统的临界放大系数小于系统稳态时的放大系数，既能满足稳态性能指标，又能保证稳定性和稳态裕度。因此，必须设置适当的校正装置以满足要求。3.6稳态抗扰度误差分析1.比例控制中的稳态扰动抑制误差比例调节静差调速闭环控制系统的动态结构图是当时的扰动输入，此时的输出是负荷扰动引起的速度偏差，其计算公式为：这与静态特性分析的结果

11、完全一致。2.积分控制中的稳态扰动抑制误差积分调节闭环控制的动态结构图如下：当负载突然施加时负载扰动引起的稳态速度差为：=0可见，积分控制的速度控制系统没有静态误差。3.比例积分控制中的稳态扰动抑制误差比例积分控制闭环系统的动态结构图如下稳态速度差为：4.稳态抗扰误差与系统结构的关系就性能而言，比例控制有静态误差，而积分控制和比例积分控制没有静态误差，所以只要调节器中有积分元件，系统就没有静态误差。只要在控制系统前向通道的扰动作用点之前有一个积分环节，外部扰动就不会引起稳态误差。第四章是单闭环DC调速系统的设计与仿真4.1参数设计第一，设计任务计算了DC驱动系统的参数，建立了其Matlab模型

12、，并进行了稳定性分析。根据系统要求，利用Matlab软件工具对系统进行动态校正，称为调节器设计。已知晶闸管-DC电机单闭环调速系统(V-M系统)的动态结构如下所示：比例调节器可控硅电机电枢传递函数传动装置传递函数电势系数给定信号综合信号2速度n1-集成信号1-速度反馈系数图中DC电机参数：=2.2KW，=1500r/min，=12.5A，=220V，电枢电阻=1，V-M系统主电路总电阻R=2.9，V-M系统电枢电路总电感L=40mH，驱动系统运动部分飞轮转矩=1.5，测速发动机为永磁型。二、设计要求生产机械要求调速范围D=15，静态误差率s5%，如果U*n=10V，n=nnom=1500r/m

13、in，校正相角稳定裕度=45o，剪切频率c35.0rad/s，超调量30%，调节时间ts0.1s 4.2参数计算及MATLAB仿真一、稳态参数的计算1.计算满足系统调速范围和静态误差率要求的开环系统环形放大系数k。(1)、电机额定磁通下的电动势速比(2)满足系统调速范围和静态误差率要求的闭环系统稳态降速(3)开环系统稳态速度下降(4)根据自动控制理论，有=也就是说，满足系统调速范围和静态误差率要求的闭环系统是开放的环形放大系数K=48.80082.计算系统速度测量的反馈系数单闭环调速系统静态差结构图如图：所示- n n根据自动控制理论，有以下方程。:型替换已知条件以获得求解子方程3.计算比例调节器的放大系数根据自动控制理论，闭环系统的开环放大