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运动控制系统课程设计班级自动化0802姓名王有录学号0806050231摘要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。本文从直流电动机的工作原理入手,建立了双闭环直流调速系统的数学模型,并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理,对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算,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。关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统仿真AbstractDCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrivebecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandDCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrivebecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandsmoothcontrolinawiderange,besidesitscontrolperformanceisexcellent.BeginningwiththetheoryofDCmotor,thisdissertationbuiltsupthemathematicmodelofDCspeedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,detailedlydiscussesthestaticanddynamicstateperformanceofthesystem.Afterward,accordingtoautomationtheroythispaparcalculatestheparametersofthesystem.Then,thisdissertationsimulatesandanalyzesthesystembymeansofSimulink.Theresultsofsimulationareconsistentwiththeorycalculation.Someexperiencewasacquiredthroughsimulation.Basedonthetheoryandsimulation,thisdissertationdesignsaDCspeedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,discussestherealizationofmaincircuit,feedbackcircuit,controlcircuitandtriggercircuit.Theresultsofexperimentshowthatthestaticanddynamicstateperformanceofthissystemaregood,whichindicatethatthedesigncanmeettherequirements.Computer-aidedanalysisanddesignarecarriedoutforspeed-controllingsystemofthed-cmotorbybyusingTOOLBOXandSIMULINK.KeywordsDCmotor,DCgoverningsystem,speedgovernor,currentgovernor,doubleloopcontrolsystem,simulink目录摘要Abstract一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍2、双闭环直流调速系统的组成3、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性4、双闭环直流调速系统的数学模型二、系统设计方法及步骤1、系统设计的一般原则2、电流环设计(1)确定时间常数(2)选择电流调节器结构(3)选择电流调节器参数(4)校验近似条件3、转速环设计(1)确定时间常数(2)选择转速调节器结构(3)选择转速调节器参数(4)校验近似条件三、Matlab和Simulink简介四、Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析1、开环直流调速系统的仿真2、单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真3、单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真4、单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真5、单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真6、单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真7、单闭环转速负反馈调速系统定量仿真8、双闭环直流调速系统定量仿真9、三闭环直流调速系统仿真五、V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图六、总结参考文献一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理:电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。2、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。两者之间实行嵌套连接,如图1—1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图1—1转速、电流双闭环直流调速系统其中:ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电子变换器-转速给定电压Un-转速反馈电压-电流给定电压-电流反馈电压3、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性图1—2双闭环直流调速系统的稳态结构框图分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征,一般使存在两种状况:饱和—输出达到限幅值,不饱和—输出未达到限幅值。当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和,换句话说,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系,相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时,PI的作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对于*Un*UiUi静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于𝐼𝑑𝑚时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到𝐼𝑑𝑚时,对应于转速调节器的饱和输出𝑈𝑖𝑚∗,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而,实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大,因此,静特性的两段实际上都略有很小的静差,见图1—3中虚线。图1—3双闭环直流调速系统的静特性4、双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容。全控式整流在稳态下,触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为:其中:A---整流器系数;---整流器输入交流电压;---整流器触发角;---触发器移项控制电压;K---触发器移项控制斜率;整流与触发关系为余弦,工程中近似用线性环节代替触发与放大环节,放大系数为:K=𝑈𝑎0\𝑈𝑐𝑡。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下:)cos(cos220ctaKUAUAUU2UctU图1—4双闭环直流调速系统的动态结构框图二、系统设计方法及步骤1、系统设计的一般原则:①概念清楚、易懂;②计算公式简明、好记;③不仅给出参数计算的公式,而且指明参数调整的方向;④能考虑饱和非线性控制的情况,同样给出简单的计算公式;⑤适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。参数:VnRIUCNaNNe132.014602.013622003.05.010153RLTl18.0132.030132.03755.05.223752memCCRGDT26.130emCC2、电流环设计(1)确定时间常数整流装置滞后时间常数:Ts=0.0017𝑠。电流反馈滤波时间常数:Toi=0.002s。电流环小时间常数之和:T∑i=Ts+Toi=0.0037s。(2)选择电流调节器结构根据设计要求:𝜎𝑖≤5%,保证稳态电流无差,可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的。检查对电源电压的抗扰性能:𝑇𝑙𝑇∑𝑖≈0.030.0037≈8.11,各项指标都可接受。所以电流调节器传递函数为:WACR(s)=Ki(τis+1)τis。(3)选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数:τi=Tl=LR=0.03s。电流反馈系数β:β=1.35。电流环开环增益:要求δi≤5%时,取KIT∑i=0.5,因此KI=0.5T∑i=0.50.0037s−1=135.1s−1,所以,Ki=KIτiRKsβ≈1.013。因此:WACR(s)=1.013(0.03s+1)0.03s(4)校验近似条件电流环截止频率:ωci=KI=135.1s−1①校验晶闸管整流装置传递函数近似条件13Ts≈196.1s−1ωci满足近似条件②校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3√1TmTl≈40.82s−1ωci满足近似条件③校验电流环小时间常数近似处理条件13√1TsToi≈180.8s−1ωci满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容调节器输入电阻R0=40KΩ,各电阻和电容值计算如下:Ri=KiR0=40.5KΩ取40KΩCi=τiRi=0.75μF取0.75μFCoi=4ToiR0=0.2μF取0.2μF按上述参数,查表知,电流环可达到动态跟随性能指标:δi=4.3%5%满足设计要求3、转速环设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数:1KI=2T∑i=0.0074s转速滤波时间常数:Ton=0.01s。转速换小时间常数:T∑n=1KI+Ton=0.0174s。(2)选择电流调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求,转速调节器必须含有积分环节,故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。所以转速调节器传递函数为:WASR(s)=Kn(τns+1)τns。(3)选择转速调节器参数取h=5,则ASR的超前时间常数为:τn=hT∑n=0.087s转速环开环增益为:KN=h+12h2T∑n2=396.4s−2转速反馈系数α:α=0.007于是求的ASR的比例系数为:Kn=(h+1)βTmCe
本文标题:直流调速系统的Matlab仿真(课程设计作业)
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