单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真一资料可编辑修改word版.docx

1、单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真一资料可编辑修改word版课题：一、单闭环直流调速系统的设计与Matlab 仿真（一）作 者：学 号：专 业：班 级： 指导教师：摘 要在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型，然后用此理论去设计一个实际的调速系统

2、。本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。另外，设计过程中还要以 Matlab 为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。摘 要：Matlab 开环 闭环负反馈 静差 稳定性V-M 系统一、设计任务1、已知条件力矩 GD2=1.5N.m2，测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi 型，整流触发装置的放大系数 Ks=44，三相桥平均失控时间 Ts=0.00167s。已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统（V-M 系统）的结果如图所示。图中直流电机的参数： Pnom=2.2KW， nnom=1500r/min，

3、 Inom=12.5A，Unom=220V，电枢电阻 Ra=1 欧，V-M 系统主回路总电阻R=2.9 欧，V-M 系统电枢回路总电感 L=40mH，拖动系统运动部分飞轮2、设计要求：（1）生产机械要求调速范围 D=15（2）静差率 s5%，（3）若 U*n=10V 时，n=nnom=1500r/min，校正后相角稳定裕度=45o，剪切频率c35.0rad/s，超调量30%，调节时间 ts0.1s二、方案设计1、控制原理根据设计要求，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，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。所以，设计如下的原理图：图 1、单闭环直流调速系统原理图转

4、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，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。所以，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、控制结构图有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到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，就得到了系统的动态结构框图。由所学的相关课程知：放大环节可以看成

5、纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节， 而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。所以，可以得到如下的框图：图 4、单闭环直流调速系统动态结构框图三、参数计算：根据已知参数计算如下：1、为了满足 D=15，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降为：ncl= nN s D(1- s) 1500 0.0515 (1- 0.05)r / min = 5.26r / min2、根据ncl ，求出系统的开环放大系数先计算电动机的电动势系数C = UN - IN RanN= (220 -12.51)V1500r / min= 0.1383V min/ r则开环

6、系统额定速降为n = IN R = 12.5 2.9 r / min = 262.11r / min ope0.1383闭环系统的开环放大系数应为K = nop -1 262.11 -1 = 49.83 -1 = 48.83 ncl5.263、计算测速反馈系数： Un=k-UnUn*-Un=Un带入已知条件 K= 48.83 ，Un*=10V 得 Un=9.8V所以反馈系数 a=Unnnom= 9.81500=0.00654.计算运算放大器的放大系数和参数K = KCe 48.83 0.1383 = 23.6 p K 0.0065 44s实取Kp = 23.6按运算放大器参数，取R0 = 40

7、K则 R1 = Kp R0 = 23.6 40K = 945K5.反馈电压U n= nN = 1500 0.0065V = 9.75V6.系统中各环节的时间常数：电磁时间常数T = L = 0.04 = 0.0138s l R电机时间常数2.9GD2R Tm = 375C C= 1.5 2.9375 0.1383 30 0.1383 s = 0.0635s对于三相桥式整流路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts = 0.00167s为保证系统稳定，开环放大系数的稳定条件T (T + T ) + T 2 0.0635(0.0138 + 0.00167) + 0.001672K Kcr，因此，此闭环系统

8、是不稳定的。四、PI 调节器的设计由于闭环系统不稳定，利用伯德图设计 PI 调节器，使系统在保证稳态性能要求下稳定运行。原始系统的开环传递函数为W (s) =(T+ 1)(TKT s 2 + Ts + 1)s m l m由上已知Ts = 0.00167s，Tl = 0.0138s，Tm = 0.0635s 在这里， Tm 4Tl ，m l m因此分母中的二次项T T s 2 + Ts + 1 可分解成两个一次项之积，即T T s2 + T s +1 = 0.0008763s2 + 0.0635s +1 = (0.0432s +1)(0.0203s +1)m l m则闭环的开环放大系数取为K =

9、 Kp Ks Ce= 23.6 44 0.0065 = 48.800.1383于是，原始闭环系统的开环传递函数是W(s)=48.8(0.0432S +1)(0.0203S +1)(0.0167S +1)三个转折频率分别为：W1=1/T1=1/0.0432=23.1 s-1W2=1/T2=1/0.0203=49.3 s-1W3=1/T3=1/0.0167=600 s-1利用 margin 命令函数n1=0 48.8; d1=0.0432 1; s1=tf(n1,d1);n2=0 1;d2=0.0203 1;s2=tf(n2,d2);n3=0 1;d3=0.00167 1;s3=tf(n3,d3)

10、;sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始的闭环调速系统的频率特性如下图而 20lgK=20lg48.8=33.77dB因为相角裕度和增益裕度 GM 都是负值，所以原始闭环系统不稳定。现在换成 PI 调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为1Wpip(s)= K pi s + 1K p s 2 2c120 lg K = 20 lg 2 + 40 lg c1 = 20 lg 2 ( c1 )= 20 lg 1 2 1 2 1 2所以 c1 = 48.8 23.1 49.3s-1 = 235.74s-1取 K = T= 0.0432s, 为了使 1 = 49.3s-1,

11、取 = 40s-1,则L = -L= 30dBpi 1c 2 c 2 1 22所以20 lg KpKpi= 30dB, KpKPi= 31.6,已知K p= 23.6, 所以K pi= 23.6 = 0.7531.6 = T1 Kpi= 0.0432 = 0.05760.75于是，PI 调节器的传递函数为Wpi(s) = 0.0432s +10.0576s最后，选择 PI 调节器的阻容参数。已知 R0 = 40K ，则R1 = Kpi R0= 0.75 40K = 30K，取R1 = 30K，C1 =0= 0.0576 = 1.44 F 40那么校正后的动态图如下：五、系统稳定性分析由 Sim

12、ulink 的动态模型绘制校正后系统 Bode 图【A,B,C,D】=linmod(mx009B); S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);运行程序后绘制系统 Bode 图如下：相角裕度 =45deg 和增益裕度 GM=23.2dB 都是正值，所以原始闭环系统稳定。由 Simulink 的动态模型绘制校正后系统单位阶跃响应曲线【A,B,C,D】=linmod(mx009B); S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);运行程序后绘制系统单位阶跃响应曲线如下：六、心得体会经过这次的课程设计，我学会了很多平时没有接触的知识。已掌握的自动控制知

13、识在本次实践中得到了充分的发挥。在和同学合作的过程中，我也充分体会到了团结协作的重要性。完成了本次课程设计。经过这次课设，我学习并掌握了自动控制的基本工作原理，了解了基本知识，拓展了知识面。温故知新，收获蛮多。这次设计尚存在很多缺点和不足，希望老师批评指正。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，也使控制过程的脉络更加清晰。七、参考文献1电力拖动控制系统 陈伯时2自动控制原理 胡寿松3控制系统 Matlab 计算及仿真实训4电力电子及其变流技术 黄俊