自动控制课程设计(论文)-单闭环无静差直流调速系统仿真研究

《自动控制》课程论文姓名：王耀明学号：14082101440(35)2011年12月15日自动控制课程设计第2页共8页目录1绪论······························································································31.1选题依据················································································31.2题目要求介绍··········································································31.3论文主要完成的工作·································································32系统原理························································································32.1系统简介················································································32.2系统的整体设计·······································································42.2.1转速闭环调速环节简介······················································42.2.2无静差调速环节简介·························································52.2.3电流截止负反馈简介·························································52.3参数计算················································································52.4系统的静态结构框图·································································63系统仿真························································································63.1仿真软件MATLAB简介····························································63.2仿真模型················································································73.3系统仿真图·············································································74总结······························································································8参考文献···························································································9自动控制课程设计第3页共8页单闭环无静差直流调速系统仿真研究1绪论1.1选题依据在生产中，很多设备都需要用直流电机进行拖动。为了保证产品质量，提高生产效率，要求这些设备在不同的场合能以不同的速度工作，或者要求在变化的负载下能保持设定的速度。在调整生产设备的速度时，不仅要求能保证达到最高与最低速度，还要求有一定的调速精度，而单闭环无静差直流调速系统便可实现这一动态与稳态性能要求。1.2题目要求介绍第1组电动机参数：功率kwPN18，额定电压vUN220，额定电流AIN94，额定转速min/0001rnN，电枢电阻0.15aR，主电路总电阻0.45R，40sk。最大给定电压vUnm15*，整定电流反馈电压vUim10。要求系统调速范围D=20，静差率≤10%，NdblII5.1，NdcrII1.1。1.3论文主要完成的工作单闭环调速系统的组成和各环节的介绍；参数计算，依据以上参数和指标要求完成单闭环调速系统相关参数计算画出调速系统电路原理图和静态结构图根据参数计算结果，在MATLAB上仿真实现，检验调速系统的动，静态性能指标。论文中要附有调速系统在启动过程中电流和转速变化的仿真图，如有需要，应加入电流截止负反馈。根据验证的结果讨论，你设计的系统是否达到设计要求，有哪些地方可以改进。参考文献，不少于10篇，格式请参考毕业论文中的要求。2系统原理2.1系统简介为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在本设计中，转自动控制课程设计第4页共8页速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。2.2系统的整体设计图1带电流截止负反馈的单闭环无静差调速系统原理图2.2.1转速闭环调速环节简介同开环调速系统一样，转速闭环调速系统中电机的转速大小受转速给定电压Un*控制，给定电压为零时，电机停止；给定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时，电机转速下降。以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。**nnnctdUUUUUUn自动控制课程设计第5页共8页2.2.2无静差调速环节简介图2无静差直流调速系统调速系统达到稳定工作状态时，转速反馈与转速给定的值相等，调节器的输入偏差电压等于零，这种调速系统称为无静差调速系统。转速负反馈调速系统，转速调节器为比例调节器时可实现有静差调速；若要实现无静差调速，转速调节器应采用PI调节器。2.2.3电流截止负反馈简介直流电动机全电压起动时，如果没有采取专门的限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对于过载能力低的晶闸管等电力电子器件来说，更是不允许的。系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制的基本概念，要维持某个物理量基本不变，只要引入该物理的负反馈就可以了。所以，引入电流负反馈能够保持电流不变，使它不超过允许值。但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减。这种当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫做电流截止负反馈。2.3参数计算（1）闭环静态速降（2）系统开环放大倍数10000.15.56/min(1)200.9NclnsnrDs220940.150.2059min/1000NNaeNUIRCVrn自动控制课程设计第6页共8页由于故（3）调节器放大系数2.4系统的静态结构框图如下所示图3无静差直流调速系统稳态结构框图(IdIdcr)3系统仿真3.1仿真软件MATLAB简介MATLAB软件的Simulink仿真平台是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用这种仿真工具，不需要运行实际系统，只要建立数学仿真模型，模仿被控对象的运行状态及其随时间变化的过程，就可以确定系统的输出状态，通过对仿真模型运行过程的观察和设计，能够得到系统的参数特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数，可以方便地完成调试过程，而且能直观地得到系统输出响应曲线。利用Simulink软件仿真，能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地观察系统仿真的结果，从而加深对工程设计方法的理解。940.45205.44/min0.2059NopeIRnrC205.41135.955.56opclnKn*psndee11KKURnICKCKps0.0145eKCKKs35.9512.8/0.014540/0.2059peKKKC自动控制课程设计第7页共8页3.2仿真模型图4单闭环调速系统仿真模型图5单闭环调速系统校正仿真模型3.3系统仿真图自动控制课程设计第8页共8页图6单闭环调速系统校正后起动过程电流波形图图7单闭环调速系统加入PI校正后起动过程转速波形图4总结通过对单闭环无静差直流电机调速系统的设计，复习和巩固了专业知识，使自己能更加熟练地运用自控理论分析和解决问题。设计过程中，涉及的MATLAB仿真技术，使自控原理中的各参数得以更直观的反映，更重要的是MATLAB为系统设计与整定提供了一个十分强大而简便的工具，帮助我们解决了复杂运算、测绘等问题，使设计者更加集中精力解决相关的控制问题，也使自动控制课程设计第9页共8页控制过程的脉络更加清晰。参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004[2]唐树森.运动控制讲义[J].华中科大出版社，2004[3]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社，2001[4]黄忠霖.自动控制原理的MATLAB实现[M].国防工业出版社，2006[5]樊京.MATLAB控制系统应用实例[M].清华大学出版社，2001[6]姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社,2002[7]周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真(第一版)[M].中国电力出版社，2004[8]张立勋.直流调速系统设计及仿真[J].应用科技出版社,2005(6)[9]于群.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].机械工业出版社，2011[10](英)特费斯(Djaferis,T.E.)著，曹秉刚，白志峰译.自动控制反馈的力量——使用MATLAB[M].西安交通大学出版社，2002[11]顾春雷，陈中.电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M].清华大学出版社，2011