基于Matlab的单闭环直流调速系统课程设计.docx

基于Matlab的单闭环直流调速系统课程设计.docx

《基于Matlab的单闭环直流调速系统课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Matlab的单闭环直流调速系统课程设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于Matlab的单闭环直流调速系统课程设计

一、摘要……………………………………………………………………2

二、整体方案设计………………………………………………………3

一、操纵原理

二、操纵结构图

三、参数计算………………………………………………………………5

一、静态参数设计计算

二、动态参数设计计算

四、稳固性分析……………………………………………………………8

一、基于经典自控理论得分析

二、利用MATLAB辅助分析

A、利用根轨迹分析

B、在频域内分析

奈氏曲线：

bode图

利用单输入单输出仿真工具箱分析

用Simulink仿真

五、系统校正………………………………………………………………14

一、系统校正的工具

二、调剂器的选择

3、校正环节的设计

4、限流装置的选择

六、系统验证………………………………………………………………15

一、分析系统的各项指标

二、单位阶跃响应

3、Simulink仿真系统验证系统运行情形

七、心得体会………………………………………………………………20

八、参考文献………………………………………………………………20

一、摘要

运动操纵课是后续于自动操纵原理课的课程，是加倍接近本专业实现应用的一门课程。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内滑腻调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中取得了普遍的应用。

由于直流拖动操纵系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从操纵的角度来看，它又是交流拖动操纵系统的基础。

因此加深直流电机操纵原理明白得有很重要的意义。

本设计第一进行整体系统设计，然后确信各个参数，当明确了系统传函以后，再进行稳固性分析，在稳固的基础上，进行整定以达到设计要求。

另外，设计进程中还要以matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计进程。

二、整体方案设计

一、操纵原理

依照设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采纳变电压调剂方式，实现对直流电机的无极滑腻调速。

因此，设计如下的原理图：

图一、单闭环直流调速系统原理图

转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生操纵电压，再通过电力电子变换器来调剂电机回路电流，达到操纵电机转速的目的。

那个地址，电压放大环节采纳集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调剂对电机的电源供给。

因此，更具体的原理图如下：

图2、单闭环直流调速系统具体原理图

2、操纵结构图

有了原理图以后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就取得了系统的稳态结构框图。

图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图

同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就取得了系统的动态结构框图。

由所学的相关课程知：

放大环节能够看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时刻常数很小的滞后环节，那个地址把它看做一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。

因此，能够取得如下的框图：

图4、单闭环直流调速系统动态结构框图

三、参数计算

设计完系统框图，就能够够用已知的传递函数结合设计要求中给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算。

以便于后续步骤利用经典操纵论对系统的分析。

为了方便以下的计算，每一个参数都采纳统一的符号，那个地址先列出设计要求中给出的参数及大小：

电动机：

PN=10kwUN=220vIdN=55AnN=1000rpmRa=Ω

晶闸管整流装置：

二次线电压E2l=230vKs=44

主回路总电阻：

R=1Ω

测速发电机：

PNc=UNc=110vIdN=nNc=1900rpm

系统运动部份：

飞轮矩GD2=10Nm2

电枢回路总电感量：

要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍持续

生产机械：

D=10s≤5﹪

一、静态参数设计计算

A、空载到额定负载的速降ΔnN

由公式：

（其中D，s已知）

得：

ΔnN≤

B、系统开环放大倍数K

由公式：

（由公式可算出Ce=r）

得：

K=

C、测速反馈环节放大系数a

设：

测速发电机电动势系数=UNc/nNc=Vmin/r

测速发电机输出电位器RP2分压系数a2

依照体会，人为选定a2=

那么a=Ceca2=

注：

一、a2正确性的验证：

反馈通道的输出用于和给定比较，参照图3的标注，Un略小于Un※即可，

当a2=时，Un=知足要求（图1中，3为-，2为+，7要求+，也可验证）

二、RP2的选择要紧从功耗方面考虑，以不致过热为原那么。

D、运算放大器的放大系数Kp

由公式（其中α即a）

Kp≥

取Kp=21（假设向小方向取，可能阻碍快速性，由于后加限幅电路，略大无妨）

此处的近似，使k由变成

二、动态参数设计计算

在经典操纵论中，动态分析基于确信系统的传函，因此要求出传函并依照已知求的传函中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳固性，在稳固的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平稳在要求范围内的值上。

由图4，得系统开环传函

其中,Ts晶闸管装置滞后时刻常数

Tm机电时刻常数

Tl：

电磁时刻常数

主电路电感值L

依照要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍持续。

结合抑制电流脉动的方法中关于L的讨论，得：

公式：

其中，整流变压器副边额定相电压（二次相电压）

得：

L=

其他未知参数计算

电磁时刻常数

机电时刻常数

关于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时刻常数为Ts=s

系统传函为：

四、稳固性分析

稳固是系统首要的条件，一切的分析只有成立在稳固的基础上才成心义。

一、基于经典自控理论得分析

依照系统闭环传函

特点方程

应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳固的充分必要条件是

代入整理得：

或

因此：

把所得参数代入

确实是说，k小于系统才稳固。

可是，按稳态调速性能指标要求计算出的要K≥

它们是矛盾的。

因此，当前的系统是不知足要求的。

二、利用MATLAB辅助分析

设计利用MATLAB版本：

（R2006a）

【SimulinkControlSystemToolbox】

A、利用根轨迹分析

系统传函可化为

w=/（（s+*（s+*（s+600））

{此处对原传函稍作近似，把原传函s2系数由近似为，即可取得本传函}

化成LTI标准型传函

程序：

k=;

d=conv（conv（[1],[1]）,[1600]）;------------------卷积函数

s1=tf（k,d）---------------------------------------------------------化成LIT标准型函数

运行结果：

求零极点：

程序：

num=[];

den=[1];

[z,p,k]=tf2zp（num,den）------------------------------------------解出零极点

运行结果:

显然，在虚轴右半面有极点

系统不稳固

绘制根轨迹:

程序：

k=;

d=conv（conv（[1],[1]）,[1600]）;

s1=tf（k,d）;

rlocus（s1）-----------------------------------------------------------------绘制根轨迹函数

运行结果:

上图右下方极点放大图

从根轨迹图上很直观地看到位于在虚轴右半面有极点，系统不稳固。

B、在频域内分析

奈氏曲线：

程序：

k=;

d=conv（conv（[1],[1]）,[1600]）;

s1=tf（k,d）;

figure

（1）;

nyquist（s1）

运行结果：

→

bode图

程序：

k=;d=conv（conv（[1],[1]）,[1600]）;

s1=tf（k,d）;

figure

（1）;

bode（s1）;

margin（s1）;

grid

运行结果：

→

所得参数：

利用单输入单输出仿真工具箱分析

rltool和sisotool命令都能挪用单输入单输出仿真程序，只是rltool仅通过根轨迹来分析，sisotool还包括bode图。

菜单Designs→Editcompensator可修改增益，修改的值为当前增益的倍数（图5）。

图5图6

K=21时的阶跃响应：

图6

菜单tools下能够直接调出输出波形，可见系统振荡（图7）。

图7

用Simulink仿真

图8Simulink仿真连接图

输出示波器波形：

很明显系统振荡

（由于没加限幅，电流早已过大，电机已毁，实际中是不存在的）

图九、当前系统输出曲线

五、系统校正

为了知足要求，还保证系统的稳固性，一样采纳加调剂器校正的方式来整定系统。

一、系统校正的工具

在设计校正装置时，要紧的研究工具是Bode图，即开环对数频率特性的渐近线。

它的绘制方式简便，能够确切地提供稳固性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。

因此，Bode图是自动操纵系统设计和应用中普遍利用的方式。

伯德图与系统性能的关系

⏹中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，那么系统的稳固性好；

⏹截止频率（或称剪切频率）越高，那么系统的快速性越好；

⏹低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；

⏹高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。

相角裕度γ和以分贝表示的增益裕度Gm。

一样要求：

γ=30°－60°

GM>6dB

实际设计时，一样先依照系统要求的动态性能或稳固裕度，确信校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。

具体的设计方式是很灵活的，有时须反复试凑，才能取得中意的结果。

二、调剂器的选择

P调剂器：

采纳比例（P）放大器操纵的直流调速系统，可使系统稳固，并有必然的稳固裕度，同时还能知足必然的稳态精度指标。

可是，带比例放大器的反馈操纵闭环调速系统是有静差的调速系统。

I调剂器：

采纳积分调剂器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有操纵信号，维持系统稳固运行，实现无静差调速。

PI调剂器：

比例积分操纵综合了比例操纵和积分操纵两种规律的优势，又克服了各自的缺点，扬长避短，相互补充。

比例部份能迅速响应操纵作用，积分部份那么最终排除稳态误差。

3、校正环节的设计

依照体会并验证，本系统加PI调剂器可知足要求，调剂器的传函为：

用Simulink仿真:

电机环节经分解，可等效成：

Simulink中创建的模型：

转速波形：

系统的阶跃响应：

查看阶跃响应的菜单

最大转速：

1130rpm

调剂时刻：

超调量：

％

图9、单位阶跃响应

由以下图可见，电枢电流峰值达到了250多安，实际电机许诺的刹时最大电压为额定值的倍，即，因此此系统还需加限流装置。

图10、电机电枢电压及转速曲线

4、限流装置的选择：

Idbl应小于电机许诺的最大电流，一样取

Idbl=（~2）IN

从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一样取

Idcr≥（~）IN

本系统限流值应为：

六、系统验证

1、分析系统的各项指标

程序：

k=692670;

d=conv（conv（[10],[1]）,[1600]）;

s1=tf（k,d）;

[mag,phas,w]=bode（s1）;

figure

（1）;

margin（mag,phas,w）;

sisotool（s1）

仿真结果：

其中：

即：

增益余度:

Gm=

幅值穿越频率：

ωc=152rad/sec

相角余度：

γ=

相角穿越频率：

ωg=25rad/sec

系统为1型，速度误差系数：

Kv=ω=25

2、Simulink仿真系统验证系统运行情形

系统能够作如下连接：

给定：

图11、单位阶跃响应

超调％

峰值时刻

调剂时刻

可见，电机转速快速稳固在1000rpm，符合要求。

至此，本设计大体终止。

七、心得体会

通过对单闭环直流电机调速系统的全面设计，温习和巩固了专业知识，使自己能加倍熟练地运用自控理论分析和解决问题。

设计进程中，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壮大而简便的工具，帮忙咱们解决了复杂运算、测绘等问题，使设计者加倍集中精力解决相关的操纵问题，也使操纵进程的脉络加倍清楚。

八、参考文献

运动操纵讲义唐树森

电力拖动自动操纵系统陈伯时机械工业出版社

自动操纵原理胡寿松科学出版社

自动操纵原理的matlab实现黄忠霖国防工业出版社

matlab操纵系统应用实例樊京清华大学出版社