双闭环直流电机的控制与调速实物模型制理论课程设计.docx

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双闭环直流电机的控制与调速实物模型制理论课程设计

课程设计任务书··························································2

一、设计目的····························································6

二、基本思路····························································6

三、设计过程····························································6

（一）电流环的设计····················································6

1、电流环结构的简化············································6

2、电流调节器类型选择及参数计算································7

3、校验························································7

（二）转速环的设计····················································8

1、电流环的等效闭环传递函数····································8

2、转速调节器结构的选择········································8

3、转速调节器参数的选择········································9

4、校验························································9

四、Matlab建模与仿真·····················································10

（一）仿真结果预计达到的要求·········································10

（二）动态结构图（传递函数）的仿真···································10

1、双闭环直流调速系统结构图的搭接·····························10

2、传递函数中的参数设置·······································10

3、动态结构图仿真结果·········································10

（三）电机模型的仿真·················································11

1、双闭环直流调速系统模型的搭接·······························11

2、电机模型中的参数设置·······································12

3、电机模型仿真结果及分析······································13

参考资料·······························································14

课程设计任务书

课程名称自动控制理论

院（系、部、中心）电力工程学院

专业智能建筑电气

班级

起止日期

至

指导教师

1．课程设计应达到的目的

通过课程设计，检验学生是否掌握自动控制的基本理论和系统设计方法，训练学生设计控制系统和使用仿真软件的能力。

2．课程设计题目及要求---直流电机的控制与调速（实物模型）

图转速、电流双闭环调速原理图

图示为转速、电流双闭环调速系统原理图，为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR（均为PI调节器），其输入输出设有限幅电路。

设计内容：

1．对直流电机调速系统进行仿真建模；

2．分别设计电流环与转速环的PI控制器，控制电机的转速，并利用MATLAB语言仿真，画出转速和电流的动态响应曲线；改变PI控制器的参数，讨论对控制效果的影响；

3．静态指标：

无静差；

动态指标：

电流超调量σi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%。

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕

设计任务：

1．学习MATLAB语言中有关自动控制系统仿真的内容；

2．对直流电机调速系统进行仿真建模；

3．分别设计电流环与转速环的PI控制器，控制电机的转速，并利用MATLAB语言仿真，画出转速和电流的动态响应曲线；改变PI控制器的参数，讨论对控制效果的影响；

4．静态指标：

无静差；

动态指标：

电流超调量σi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%。

要求：

1、编写设计报告

2、编制仿真程序

3、分析仿真结果

4．主要参考文献

1、王划一主编，自动控制原理[M]，北京：

国防工业出版社，1981

2、[美]KatsuhikoOgata著，现代控制工程[M]，北京：

电子工业出版社，2003

3、赵文峰等编著，控制系统设计与仿真[M]，西安电子科技大学出版社，2002

4、李先允主编.现代控制理论基础[M]，北京：

机械工业出版社，2007

5、周渊深主编，交直流调速系统与MATLAB仿真,北京：

中国电力出版社，2007

5．课程设计进度安排

起止日期

工作内容

年12月22日～23日

12月24日～12月25日

年12月26日

～年1月1日

1月2日

布置任务，解释题目，查阅资料

数学建模

仿真研究，编写报告，

答辩

6．成绩考核办法

平时考核占10%；答辩占30%；报告质量占60%

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日

院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年月日

一、设计目的

1、了解双闭环直流电机调速系统的原理、组成及主要单元部件的功能；

2、掌握双闭环直流电机调速系统的调试步骤、方法及参数设定；

3、研究PI参数对电机调速的影响；

4、通过课程设计，加深和巩固对直流调速及相关课程知识的理解和应用；

5、掌握Matlab仿真软件的使用方法。

二、基本思路

设计多环控制系统的一般原则是：

先从内环开始设计和选择调节器，每一闭环都将内环作为本环的一个环节来设计和选择本环的调节器，直到设计完整个系统。

这种结构为工程设计及调试工作带来了极大的方便。

双闭环调速系统是多闭环控制系统中应用较广的系统。

先从电流环（内环）开始,根据电流控制要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。

然后，把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，再用同样的方法完成转速环设计。

图1-双闭环调速系统的动态结构图。

图1中设置了电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节。

由于电流检测信号中常含有交流成分，需加低通滤波,其滤波时间常数Toi按需要而定。

滤波信号可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延迟。

所以在给定信号通道中加人一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。

由测速发电动机得到的转速反馈电压含有电动机的换向纹波，因此也需要滤波,其时间常数用Ton表示。

三、设计过程

（一）电流环的设计

电流环的控制对象由电枢回路形成的大惯性环节与晶闸管变流装置、触发装置、电流检测和反馈滤波等一些小惯性环节群组成。

若要系统超调小、跟随性能好为主，可校正成典型工型系统；若要具有较好的抗扰性能为主，则应选择典型Ⅱ型系统。

一般情况下，当控制系统的两个时间常数之比T1/T∑i≤10时，典型工型系统的恢复时间还是可以接受的,因此,多按典型工型系统设计电流环。

1、电流环结构的简化

图的虚框中就是电流环的结构图。

实际系统中，电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比反电势E快得多。

E对电流环来说，是一个变化缓慢的扰动，可以认为E基本不变。

忽略E的影响。

使电流环的结构简化。

见图2

图2-电流环结构化简1

再将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效地置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。

见图3

图3-电流环结构化简2

最后考虑反馈滤波时间常数Toi和晶闸管变流装置平均延迟时间常数Ts都比T1小得多，可以当作小惯性环节处理，并取T∑j＝Toi十Ts。

电流环的结构图最终简化如图4，可知电流环控制对象的传递函数中具有两个惯性环节。

图4-电流环结构化简3

2、电流调节器类型选择及参数计算

按典型I型系统设计电流环

按典型I型系统设计电流环，调节器的类型应选择PI调节器，其传递函数为

（s）=

取τ＝T1，电流环的结构图为典型I型系统的型式，一般情况下，δ≤5%时，取Ki·T∑i＝0.5或ξ＝0.707选择调节器参数。

电流环开环放大系数为

=

=0.5

=0.5

=

可以看出，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率ωci与T∑i的关系满足小惯性群的近似条件心d<

3、校验

具体计算时必须检验以下条件：

1/（3Ts）

=3

（二）转速环的设计

1、电流环的等效闭环传递函数

前面已指出，在设计转速调节器时，应把已设计好的电流环看作是转速环中节，因此，需求出电流环的闭环等效传递函数。

电流环的等效传递函数为例来介绍转速环的设计，求得电流环的闭环传递函数为转速环的截止频率

一般较低，因此可得：

由于

T∑i，故有：

近似条件为：

取整后可得：

电流环本来是一个二阶振荡环节，其阻尼比ξ＝0.707，无阻尼自然振荡周期为1.414T∑i，但是当转速环截止频率

较低时，原系统和近似系统只有高频段的一些差别。

于是，电流环的近似等效闭环传递函数为

式中2T∑i勺大小，随调节器参数选择方法不同要作相应的变化。

2、

转速调节器结构的选择

电流环用其等效传递函数代替后，整个转速调节系统的动态结构图如图5所示。

图5转速环结构图

同理，将其等效为单位负反馈的形式，即把给定滤波器和反馈滤波器等效地移到环内，且近似处理为小惯性环节

T∑n＝Ton＋2T∑i

则转速环结构图可以简化成图6所示。

图6-转速环结构图化简

可以看出，转速环的控制对象是由一个积分环节和一个小惯性环节组成。

根据调速系统稳态时无静差和动态时有良好的抗扰性能两项要求，在负载扰动点之前必须含有一个积分环节，因此转速环应该按典型Ⅱ型系统设计-实际系统的转速调节器饱和特性会抑制典型Ⅱ型系统的阶跃响应超调量大的问题。

选用PI调节器可把转速环校正成典型Ⅱ型系统，其传递函数为：

（s）=

式中Kn一一转速调节器的比例系数；

τn一一转速调节器的超前时间常数。

调速系统的开环传递函数为

式中

=

αR/（τnβCeTm）为转速环的开环增益。

不考虑负载扰动时，校正后的转速环结构图如图7。

图7-化简后的转速环结构图

3、

转速调节器参数的选择

转速调节器参数的选择如下：

4、

校验

所得结果应校验以下条件：

应当说明，转速环的开环放大倍数KN和转速调节器的参数Kn、和rn，因调速系统的动态指标要求和采用哪种选择参数的方法不同而不同。

如无特殊表示川一般以选，择h=5为好。

四、Matlab建模与仿真

（一）仿真结果预计达到的要求

静态指标：

无静差；

动态指标：

电流超调量σi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%。

（二）动态结构图（传递函数）的仿真

1、双闭环直流电机调速系统动态结构图的搭接

搭接完成的双闭环直流电机调速系统的传递函数图如上

2、传递函数中的参数设置

传递函数中的各参数如动态结构图中所示。

图-阶跃输入信号的设置：

3、动态结构图仿真结果

图-电机转速曲线

（三）电机模型的仿真

1、双闭环直流电机调速系统模型的搭接

图-双闭环直流电机调速系统仿真模型

图-子模块-三相交流电源

图-子模块-6脉冲发生器

2、电机模型中的参数设置

左图-电流调节器的参数设置

右图-转速调节器的参数设置

下图-平波电抗器的参数设置

右图-直流电机的参数设置

下图-OUT1输出信号

3、电机模型仿真结果

电机转速曲线

电枢电流曲线

励磁电流曲线

输出转矩曲线

在Matlab主程序中输入如下程序：

Plot（tout,yout）

得到给定值、电流、转速对比曲线如右

从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。

现做分析如下：

第一阶段，启动过程的这一阶段是电流上升阶段。

突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。

第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。

第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。

但是，由于积分的作用，其输出还很大，所以出现超调。

转速超调之后，ASR输人端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进人线性调节阶段，使速度保持恒定。

实际仿真结果基本反映了这一点。

参考文献

1、王划一主编，自动控制原理[M]，北京：

国防工业出版社，1981

2、[美]KatsuhikoOgata著，现代控制工程[M]，北京：

电子工业出版社，2003

3、赵文峰等编著，控制系统设计与仿真[M]，西安电子科技大学出版社，2002

4、李先允主编.现代控制理论基础[M]，北京：

机械工业出版社，2007

5、周渊深主编，交直流调速系统与MATLAB仿真,北京：

中国电力出版社，2007