电力拖动自动控制系统课程设计 自动控制系统 课程设计

03020232董燕1电力拖动自动控制系统课程设计论文专业自动化班级（一）班学号0709044101姓名喻从军03020232董燕21、课设目的1.加强对随动控制系统的认识，掌握工程设计的方法。2.通过对随动系统的单元,部件及系统的调试,提高实际技能,培养分析问题解决问题的能力。3.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。4.培养编制技术总结报告的能力。2、控制对象130SZ02型直流电动机铭牌参数为Id=2.1AUd=220VP出=355WRs=5欧额定转速n=1500r/min额定转矩=23000克/厘米要求达到性能指标:D=10S=+/-5%3、课设设计任务采用单相220V供电,设计采用电势反馈的可控硅直流调速系统。其中包括:1.主电路设计2.触发电路的设计3.给定电压电路的设计4.电势反馈的设计5.保护装置的设计6.触发电路与主电路同步的设计7.整流装置内阻的测定8.测定触发器----整流装置的放大倍数4、设计要求4。1设计计算1.系统方案论证,绘制电路原理图2.主电路元部件参数的选择与计算3.触发电路元部件参数的选择与计算4.保护装置元部件参数的选择与计算5.电流电压反馈电路的计算4．2设计实验1.触发电路单元的调试2.主电路调试3.电流电压反馈环节的调试4.整流装置内阻的测定03020232董燕35.触发器----整流装置放大倍数的测定6.系统开环调试并测定机械特性7.系统闭环调试并测定机械特性8.考虑到系统仿真所需参数的测定5、设计方案5．1总体的设计原理5．1．1整体设计框图要求：静差率S=+/-5%调速范围D=105．1．2被控对象被控对象:电动机(他励)n=(U-IdR)/CeΦ直流电动机有很好的调速特性，它被广泛地用于需要变速传动的各种场合。1)调压调速：n趋近于U。2)调励磁：因为是他励，所以励磁不变。3)回路电流不可调原理图为:其机械特性图：N0ΔNedS=ΔNed/N0*100%0Ied5．1．3主电路设计电路系统主要采用的是单向桥式整流电路，所用器件是可控硅。采用电压负反馈03020232董燕4加上电流正反馈来控制主电路设计1、原理图：2、可控硅特点:实现了弱电对强电的控制.它有阳极A,阴极C,控制极G.导通条件:(1)A(+),C(-);(2)G(+),C(-)必须同时满足.注意:导通后G,C极电压和主电路就没关系了.关闭条件:A(-)C(+)3、保护装置:(1)电压保护：压敏电阻或硒堆。(2)电流保护：熔断器。缺点其芯易老化。(3)散热保护：散热片。注意：可控硅额定电流熔断器额定电流系统正常工作电流5．1．4控制电路(触发电路)设计1)移相范围为:(30°-150°)2)实现同步(每个周期脉冲出现的时刻相同)设计方法:触发电路与主电路同步即是每个周波出现的时刻相同(触发脉冲)220V交流电频率50HZ,则T=1/f=0.02s,因此触发脉冲的周期也应为T’=0.02s,而触发脉冲周期T’=T1+T2,T1为从谷点电压到峰点电压的电容充电时间由ReC决定,T2为峰点降到谷点电压的电容放电时间,由Rb2C决定.选择适当的电容,又由于T2必须大于1ms且控制Re可控制脉冲的相位,则可在满足上述要求的情况下推算出Re的变化范围使触发脉冲可在30°-150°范围内变化。3)脉冲的高度:大于3.5V;宽度1ms。采用单结晶体管去触发(只有一个PN结)，它具有负阻特性。单结晶体管管脚图如下：03020232董燕5其内部等效电路图如下：4)控制电路如下图分析：Re减小，充电快，充电那部分比较陡。Re增大，充电慢。结果：ΔU的变化即电阻Re发生的变化。5．1．5整流装置内阻的设计设计电路图如下：03020232董燕65．1．6回路电感设计设计电路图如下：5．1．7系统所用元件电气参数名称BG1BG2WT1R2R3RRxR1R2型号3AX31B3DG6DBT33F2.2-3.3K100-200欧10K锰钼丝39-51K7.5-9.1K名称R3R4R8R5R12R6R7R9R10R11R13型号51K2.4-3K1-1.2K300欧1K5.1K470欧4.7-5.1K4.1-5.1K名称C1C2C6C4C5C8C9KP1-KP2D1-D2D4-D16ZD1-ZD4型号100微F0.1微F30微F0.01微FBT151IN4007IN400711V稳压管5．1．8设计总图见附录5．2仿真设计5．2．1仿真原理整体框图:1)控制器的参数模型为：ks/(Ts*s+1)2)被控对象参数模型为1/Ce(Tm*Te*S2+Tm*S+1)3）N=Kp*Ks*Ugd/[Ce(1+K)]-R*Id/[Ce(1+K)]N=N0-ΔNed,其机械特性越硬越好。4)仿真开环控制（带载和不带载）5）仿真转速负反馈（带载和不带载）03020232董燕76）仿真电压负反馈（带载和不带载）7）仿真电压负反馈加电流正反馈（带载和不带载）此过程中的用到的相关公式如下:Tm=GD2*R/375Ce*CmTl=L/RCm=(30/∏)*CeCe=(Un-Id*R)/N5．2．2仿真过程1、开环控制开环无负载仿真图如下：开环有负载仿真图如下：其波形图如下：开环无负载开环有负载由上图可知，在系统开环的情况下，转速不受控，在输入过大的情况下，容易发生飞车，此时的系统性能较差。在有负载的情况下，由于开环系统转速不受控，无抗干扰能力，转速无法达到稳定，且输入过大的情况下，容易发生飞车，此时的系统性能很差。2、转速负反馈控制转速负反馈无负载仿真图如下：03020232董燕8转速负反馈有负载仿真图如下：其波形图如下：转速负反馈无负载转速负反馈有负载由上图可以看出，加入转速负反馈后，能通过对反馈转速与给定的偏差，控制可控硅，对电动机系统进行调节，使其在给定电压为15V时，达到并稳定在所要求的最大转速1500转/秒。加负载时，系统对扰动有一定的抑制和调节能力，但由于是可控硅控制，无法实现无差调节，则从图中可以看出扰动使电动机转速下降后，使实际转速与给定产生偏差，可通过可控硅对系统的转速调节使其转速上升，只能接近但始终无法达到原来的最大转速1500转/秒。3、电压负反馈控制电压负反馈无负载仿真图如下：03020232董燕9电压负反馈有负载仿真图如下：其波形图如下：03020232董燕10电压负反馈无负载电压负反馈有负载上图为电压负反馈的仿真时域图，从图中可以看出，电压负反馈一样能对电动机的转速进行控制，由于电枢电压与转速成正比，能通过对反馈电压与给定的偏差，控制可控硅，对电动机系统进行调节，同样可使其在给定电压为15V时，达到并稳定在最所要求的最大转速1500转/秒。但与转速负反馈比较，其调节时间要稍长一点，说明电压负反馈的调节不如转速负反馈及时，但依然能满足要求。有负载时，系统对扰动同样有一定的抑制和调节能力，但由于是可控硅控制，无法实现无差调节，则从图中可以看出扰动使电动机转速下降后，使实际电枢电压与给定产生偏差，可通过可控硅对系统的转速调节使其转速上升，从而使电枢电压上升，而系统转速只能接近但始终无法达到原来的最大转速1500转/秒。与转速负反馈比较，其扰动稳定后的转速要略低于转速负反馈系统调节后的转速，说明其控制效果没有转速负反馈的好，但依然能对系统进行调节，使转速稳定，有一定的抗干扰能力，且实现比较简单。4、电压负反馈+电流正反馈控制电压负反馈+电流正反馈无负载仿真图如下：电压负反馈+电流正反馈有负载仿真图如下：03020232董燕11其波形图如下：电压负反馈+电流正反馈无负载电压负反馈+电流正反馈有负载上图为电压负反馈+电流正反馈的仿真时域图，从图中可以看出，电压负反馈+电流正反馈一样能对电动机的转速进行控制，由于电枢电压与转速成正比，能通过对反馈电压与给定的偏差，控制可控硅，对电动机系统进行调节，同样可使其在给定电压为15V时，达到并稳定在最所要求的最大转速1500转/秒。在加入电流正反馈后，其调节时间要比纯电压负反馈要快，虽然依然比转速负反馈慢，但能满足要求。有负载时，系统对扰动同样有一定的抑制和调节能力，但由于是可控硅控制，无法实现无差调节，则从图中可以看出扰动使电动机转速下降后，使实际电枢电压与给定产生偏差，可通过可控硅对系统的转速调节使其转速上升，从而使电枢电压上升，而系统转速只能接近但始终无法达到原来的最大转速1500转/秒。与电压负反馈相比，由于加入了电流正反馈，使扰动后的调节时间变快了，稳定后的余差也较小了。6、波得图和根轨迹03020232董燕126．1开环根轨迹计算num=101.444num=101.4440den1=[2.51]den1=2.50001.0000den2=[0.0180.1571]den2=0.01800.15701.0000den=conv(den1,den2)den=0.04500.41052.65701.0000printsys(num,den)num/den=101.444------------------------------------0.045s^3+0.4105s^2+2.657s+16．2根轨迹图rlocus(num,den)-20-15-10-505-15-10-5051015System:sysGain:0.000399Pole:-4.35+6.04iDamping:0.585Overshoot(%):10.4Frequency(rad/sec):7.44System:sysGain:0.000399Pole:-4.35+6.04iDamping:0.585Overshoot(%):10.4Frequency(rad/sec):7.44System:sysGain:0.000399Pole:-4.35+6.04iDamping:0.585Overshoot(%):10.4Frequency(rad/sec):7.44System:sysGain:0.000399Pole:-4.35+6.04iDamping:0.585Overshoot(%):10.4Frequency(rad/sec):7.44System:sysGain:0Pole:-4.36+6.04iDamping:0.585Overshoot(%):10.4Frequency(rad/sec):7.45System:sysGain:0.00207Pole:-4.32-6.02iDamping:0.583Overshoot(%):10.5Frequency(rad/sec):7.4System:sysGain:0Pole:-0.4Damping:1Overshoot(%):0Frequency(rad/sec):0.4RootLocusRealAxisImaginaryAxis从以上根轨迹图可以看出，该系统存在稳定的根轨迹部分,只要使系统开环传函的特征方程的根满足其实部为负数，就可使系统稳定。6．3波得图bode(num,den)03020232董燕13w=logspace(-1,2,32);bode(num,den,w)；10-1100101102-270-225-180-135-90-450System:sysFrequency(rad/sec):7.65Phase(deg):-179Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)-60-50-40-30-20-10010203040Magnitude(dB)System:sysFrequency(rad/sec):14.1Magnitude(dB):-1.41从以上波得图可以看出，系统幅值裕度大于0dB，且相位裕度也大于0度，说明该系统，是稳定的。7、改用PID设计7．1转速负反馈控制转速负反馈无负载仿真图如下：转速负反馈有负载仿真图如下：03020232董燕14其波形图如下：转速负反馈无负载转速负反馈有负载加入转速负反馈，调节PID控制参数为适当的值，则系统能通过对反馈转速与给定的偏差，控制PI