自动控制系统设计

自动控制系统综合设计专业名称：电气工程及其自动化班级：学号：姓名：指导教师：2目录第一章绪论-----------------------------------------------------21.1直流调速系统概述---------------------------------------31.2研究目的和意义-----------------------------------------31.3双闭环直流调速系统发展趋势-----------------------------41.4主要讨论问题-------------------------------------------5第二章双闭环直流调速系统原理------------------------------------52.1直流调速系统简介---------------------------------------52.2晶闸管-直流调速系统简介--------------------------------5第三章控制系统的设计--------------------------------------------63.1设计内容和要求-----------------------------------------63.2双闭环直流调速系统的组成-------------------------------73.3双闭环直流调速系统总设计框图---------------------------83.4主电路的结构形式--------------------------------------93.5晶闸管的触发电路---------------------------------------153.6双闭环调速系统的组成和设计-----------------------------16第四章基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真---------------------223双闭环直流电机调速系统设计摘要通过对双闭环直流调速系统的设计，掌握双闭环直流调速系统的基本计算，电流环与转速环参数计算的方法与步骤，创建双闭环调速系统数学模型，并对系统模仿型进行仿真。第一章绪论1．1直流调速系统概述直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。直流可逆调速系统的设计要完成逻辑无环流可逆调速，需要观察比较多的测点，而且需要计算的参数较多，因此要利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。1．2研究课题的目的和意义1研究的背景及意义电气传动技术以电动机控制为控制对象,以微电子装置为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动)、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。众所周知,与交流调速系统相比,由于直流调速系统的调速精度高,调速范围广,变流装置控制简单,长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合,一般都采用直流电气传动。目前,通过对电动机的控制,将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域。三十多年来,直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时,控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步,应用相当普遍,尤其是全数字直流系统的出现,更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以,今后一个阶段在调速要求较高的场合,如轧钢厂、海上钻井平台等,直流调速仍然处于主要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成,由于模拟4器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展,直流传动系统已经广泛使用微机,实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作,控制手段灵活方便,抗干扰能力强。所以,全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统,能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换,实现生产过程的自动化分级控制。所以,直流传动控制采用微机实现全数字化,使直流调速系统进入一个崭新的阶段。2直流调速系统国内外研究现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器,电力电机技术的迅猛发展,促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今,已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿,多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争,新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。早期直流传动的控制器由模拟分??????器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。20世纪70年代以来,利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用,如AT89C51等。在单片机控制系统中,单片机作为系统控制的核心,主要用来完成一些算法,同时还要处理一些输入/输出、显示任务等,单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。微机,出现于20世纪70年代,随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展,微机的性能越来越高,价格越来越便宜。此外,电力电子的发展,使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机,完成各种新颖的、高性能的控制策略,使电机的各种潜在能力得到充分的发挥,使电机的性能更符合使用要求,还可以制造出各种便于控制的新型电机,使电机出现新的面貌。1.3双闭环直流调速系统的发展趋势双闭环直流调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但5是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。1.4本课题主要讨论问题1．研究双闭环直流调速系统的研究和应用现状。2．调速系统主电路参数计算及元件的确定（包括有变压器、晶闸管、平波电抗器等）。3．驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可）。4．动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5．绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。6．建立系统的数学模型，对系统进行仿真研究，验证所设计的系统是否满足各项性能指标的要求。第二章双闭环直流调速系统的工作原理2.1直流调速系统简介调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。2.2晶闸管-电动机直流调速系统简介20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。图1.1是V-M系统的简单原理图[1,3,5]。图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。6-图1.1晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）但是，晶闸管还存在以下问题：（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；（2）由于晶闸管元件的过载能力小，不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压变化率（du/dt）和电流变化率(di/dt)，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件；（3）当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶闸管的导通角小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对电网产生不利影响；（4）由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多，因此，V-M系统的电流脉动很严重。第三章控制系统的设计3．1设计内容和要求设计内容：1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。3.驱动控制电路的选型设计。4．动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5．绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。M++_LGTUcUd~~7设计要求：设计一个直流电机的转速、电流双闭环控制系统。采用控制电枢电压改变电动机的转速，电枢电压由三相桥式整流电路提供。系统具体参数：直流电机：UN220V，IN136A，nN1480r/min，允许过载系数1.5；电机轴上总飞轮力矩：GD222.5Nm2；电枢回路总电阻：R0.5；电枢回路总电感：L15mH；晶闸管装置放大系数Ks40，电动机工作在额定负载下。设计要求：（1）稳态指标：系统静差率2%；（2）动态指标：电流超调量8%，空载起动到额定转速时超调量10%，起动速度快；（3）基于直流电机基本方程，建立直流电机转速、电流双闭环调（4）速系统数学模型，给出系统动态结构图；（5）对系统进行仿真试验与实际调试。3.2单双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行串级联接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的...为了实现转速和电流两