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1、精选优质文档-倾情为你奉上运动控制系统课程设计 班级 自动化0802 姓名 王 有 录 学号 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
2、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Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and DC motor
3、has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with
4、 double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. Afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. Then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink. The results of simulation a
5、re consistent with theory calculation. Some experience was acquired through simulation. Based on the theory and simulation, this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit.
6、The results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the requirements.Computer-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using TOOL BOX and SIMULINK.Keywords DC
7、 motor, DC governing system, speed governor, current governor, double loop control system, 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(
8、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
9、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
10、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11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U
11、PE。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11 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12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
12、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U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
13、实际上都略有很小的静差，见图13中虚线。图13 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=Ua0Uct。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图14 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: 概念清楚、易懂； 计算
14、公式简明、好记； 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。参数： 2、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：Ti=Ts+Toi=0.0037s。（2） 选择电流调节器结构根据设计要求：i5%，保证稳态电流无差，可按典型型设计电流调节器。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:TlTi0.030.00378.11，各项指标都可接受。所以电流调节
15、器传递函数为：WACRs=Ki(is+1)is。 （3） 选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=LR=0.03s。电流反馈系数：=1.35。电流环开环增益：要求i5%时，取KITi=0.5，因此 KI=0.5Ti=0.50.0037s-1=135.1s-1 ， 所以，Ki=KIiRKs1.013 。 因此：WACRs=1.013(0.03s+1)0.03s（4） 校验近似条件 电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1 校验晶闸管整流装置传递函数近似条件 13Ts196.1s-1ci 满足近似条件 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 31TmTl40.82s-1ci 满
16、足近似条件（5） 计算调节器电阻和电容调节器输入电阻R0=40K ，各电阻和电容值计算如下： Ri=KiR0=40.5K 取40K Ci=iRi=0.75F 取0.75F Coi=4ToiR0=0.2F 取0.2F按上述参数，查表知，电流环可达到动态跟随性能指标： i=4.3%cn 满足简化条件 转速环小时间常数近似处理条件 13KITon38.7s-1cn 满足简化条件 校核转速超调量额定稳态速降nN=IdNRCe，当h=5时， 查表得CmaxCb= 81.2% ，负载系数Z=0。转速超调量：n=2CmaxCb-znNn*TnTm8.31%10%能满足设计要求。（5） 计算调节器电容和电阻调
17、节器输入电阻 R0=40K ，则 Rn=KnR0=468K 取470KCn=nRn=0.185F 取0.185F Con=4TonR0=1F 取1F三、Matlab和Simulink简介1、Matlab简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动
18、态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。2、Simulink简介（1）简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应
19、用于控制理论和的复杂仿真和设计。同时有大量的和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。（2）功能Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个，被广泛应用于、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的
20、方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 （3）特点 丰富的可扩充
21、的预定义模块库 。 交互式的图形来组合和管理直观的模块图。 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理 。 通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成 。 使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法 。 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性
22、能和异常行为 。 可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据 。 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。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开环直流调速系统的仿真模型：王有录31开环直流调速系统的仿真结果：分析：转速只能通过给定值进行调节，无法通过实际转速进行必要的调节，抗扰作用很弱。不能通过自身调节达到给定值。2单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型：王有录31单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真结果：转速电流分析：图中是Kp=3.11的仿真图形，Kp减小
23、，超调量随着减小，但静差越大；Kp增大，静差随着减小，但还是很大，同时振荡也越剧烈。3、单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真模型：王有录31单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真结果：Kp=0.56，1=3转速Kp=1.6，1=8转速分析：若调节器参数是：K_p=0.56， 1/=3，系统转速的响应无超调，但调节时间很长；若是：K_p=1.6， 1/=8，系统转速的响应的超调较大，但快速性较好。和比例调节器相比，比例积分调节器能很好的消除静差。4、单闭环电流截止转速负反馈调速系统的仿真单闭环电流截止转速负反馈调速系统的仿真模型：王有录31 单闭环电流截止转速负
24、反馈调速系统的仿真结果：分析：可见加入电流截止负反馈，有效地解决启动和堵转时电流过大的问题。且只在电枢电流超过一定值时才起作用，小于一定值时，电流随负载正常变化。5、单闭环电压负反馈调速系统的仿真单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型：王有录31单闭环电压负反馈调速系统的仿真结果：分析：在电动机转速不是很低时，电枢电阻压降比电枢端电压要小的多，因此可以认为，直流电动机的反电势与端电压近似相等，也就是，电机转速近似与端电压成正比。采用电压检测元件检测直流电动机的端电压，以此来替代转速负反馈，从而形成电压负反馈直流调速系统。6、单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的仿真单闭环电压负反馈和带电流正反馈
25、调速系统的仿真模型：王有录31单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的仿真结果：分析：采用电压负反馈的调速系统虽然可以省去一台测速发电机，但是由于它不能弥补电枢压降所造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈系统。采用电流正反馈进行补偿，提高电压负反馈系统的性能是一个可行的方法，可以减少系统的静差。7、单闭环转速负反馈调速系统定量仿真单闭环转速负反馈调速系统定量仿真模型：王有录31单闭环转速负反馈调速系统定量仿真结果：8、双闭环直流调速系统定量仿真双闭环直流调速系统定量仿真模型：王有录31双闭环直流调速系统定量仿真结果：转速环空载高速启动（IdL=0）转速环满载高速启动(IdL=136)转速环的抗
26、扰(当t=1时，IdL=136)分析：可以使电流快速达到Idm，并保持略低于Idm的值，实现快速启动，最终达到恒速。且具有抗扰作用，使转速维持在给定值。空载能比满载更快速启动。9、三闭环直流调速系统仿真三闭环直流调速系统仿真模型：王有录31三闭环直流调速系统仿真结果：五、双闭环直流调速系统的原理图六、总结 通过对电流环、电压环、转速环等的设计，利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink，对所设计的电流环和转速环的阶跃信号进行了仿真计算，很容易绘制出各单位扰动曲线，并计算出阶跃扰动响应性能指标，从阶跃扰动响应曲线及其指标得出:对扰动信号，该系统具有很强的抗扰性能。 由仿真计算结果表明，利用MATLAB的simulink对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统调试周期，提高了开发系统效率。对于调速系统的设计，MATLAB的simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。参考文献：1 陈伯时，阮毅. 电力拖动自动控制系统. 机械工业出版社。2 黄忠霖，周向明. 控制系统MATLAB计算及仿真. 国防工业出版社。3 陈中. 电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真. 清华大学出版社。4 周渊深，宋永英. 交直流调速系统与MATLAB仿真. 中国电力出版社。专心-专注-专业