自动控制原理课程设计.docx
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自动控制原理课程设计
电子与电气工程学院
课程设计报告
课程名称自动控制原理
设计题目晶闸管-直流电机调速系统
所学专业名称自动化
班级自动化
学号
学生姓名
指导教师
2015年月日
电气学院自动控制原理课程设计
任务书
设计名称：
晶闸管-直流电机调速系统
学生姓名：
指导教师：
起止时间：
自2015年12月13日起至2015年12月26日止
一、课程设计目的
1、通过课程设计进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对所学内容的理解，提高解决实际问题的能力。
2、理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到最佳的系统。
3、理解相角裕度，稳态误差，剪切频率等参数的含义。
4、学习MATLAB在自动控制中的应用，会利用MATLAB提供的函数求出所需要得到的实验结果。
5、从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论运用于实际。
二、课程设计任务和基本要求
设计任务：
晶闸管-直流电机调速系统如图所示（ksm10）
1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。
2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标：
（1）相角稳定裕度Pm>40º,幅值稳定裕度Gm>13。
（2）在阶跃信号作用下，系统超调量Mp<25%，调节时间Ts<0.15秒。
3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。
4、给出校正装置的传递函数。
5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。
6、分别画出系统校正前、后的的根轨迹图。
7、在SIMULINK中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。
8、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响。
基本要求：
（1）、能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。
（2）、能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标。
（3）、能灵活应用MATLAB分析系统的性能。
电气学院自动控制原理课程设计
指导老师评价表
院（部）
电气学院
年级专业
自动化
学生姓名
学生学号
题目
晶闸管-直流电机调速系统
一、指导老师评语
指导老师签名：
年月日
二、成绩评定
指导老师签名：
年月日
课程设计报告
目录
摘要与关键词1
1绪论2
1.1直流调速系统的形成及发展概况2
2晶闸管直流调速系统开环特性3
2.1直流调速系统的动态指标3
2.2晶闸管电动机直流调速系统存在的问题3
3设计过程4
3.1利用未校正系统的根轨迹图分析系统稳定性4
3.2对系统进行串联校正5
3.3校正前后的校正装置6
3.3.1校正装置的传递函数7
3.4系统校正前后开环系统的奈奎斯特图7
3.5系统校正前后的根轨迹图8
4系统建模与仿真9
4.1在SIMULINK中建立仿真模型9
4.1.1未加环节时的scope9
4.1.2加上饱和非线性环节分析10
4.1.3加上回环非线性环节分析11
总结12
参考文献12
摘要与关键词
摘要：
该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：
同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。
此外，还有双窄脉冲形成环节。
同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对直流电动机进行了简单的介绍。
关键词：
可控整流晶闸管触发电路缓冲电路保护电路
1绪论
1.1直流调速系统的形成及发展概况
1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。
后来出现了水银整流器，它把水银封于管内，利用对其蒸汽的电弧可对大电流进行控制，其性能和晶闸管相似。
在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。
广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机传动，甚至用于直流输电。
这一时期，整流电路的理论已经发展成熟并广为应用。
在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。
在这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有更早的电动机-直流发电机组，即变流机组。
和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始而沿用至今。
1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的革命。
最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。
晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转交流机组，并且其应用范围也迅速扩大。
电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。
电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。
晶闸管是通过对门极的控制能够将其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件。
对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。
机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。
为了克服这些缺点，在60年代以后开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。
采用晶闸管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流调速系统。
它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价较高，维护麻烦，万一水银泄漏，将会污染环境，危害人身健康。
1957年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称“可控硅”）问世，到了20世纪60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，逐步取代了旋转变流机组和离子拖动变流装置，使变流技术产生了根本性的变革。
通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。
和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10以上，其门极电流可以直接用电子控制，不再象直流发电机那样需要较大功率的放大器。
在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。
2晶闸管直流调速系统开环特性
2.1直流调速系统的动态指标
对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。
这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。
动态指标代表了系统发生过渡过程时的性能，动态指标分跟随指标和抗扰动指标。
（1）跟随指标：
系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量σ，超调时间ts和震荡次数N三个指标来衡量。
最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。
（2）抗扰指标：
对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。
一般用最大动态速降Δnmax，恢复时间tf和振荡次数N三个指标来衡量。
2.2晶闸管电动机直流调速系统存在的问题
晶闸管整流器也有它的缺点。
首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
由半控整流电路构成的V-M系统只允许单象限运行，全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行。
必须进行四象限运行时，只好采用正、反两组全控整流电路，所用变流设备要增加一倍。
闸管的另一个问题是对过电压、过电流和过高的
与
都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏器件，因此必须有可靠的保护电路和符合要求的散热条件，而且在选择器件时还应留有适当的余量。
现代的晶闸管应用技术已经成熟，只要器件质量过关，装置设计合理，保护电路齐备，晶闸管装置的运行是十分可靠的。
3设计过程
3.1画出未校正系统的根轨迹图分析系统是否稳定
num=10;den=[4.099e-0070.00026950.014760.1925];
axisequal;
rlocus（num,den）；
[k,p]=rlocfind（num,den）
Selectapointinthegraphicswindow
z=
Emptymatrix:
0-by-1
p=
-598.6366
-38.4242
-20.4167
k=
2.4396e+007
分析：
从上图中可以看出系统无零点，有三个极点，且都在虚轴的左半平面。
可以知道系统稳定。
3.2对系统进行串联校正
（1）相角稳定裕度Pm>40º,幅值稳定裕度Gm>13。
（2）在阶跃信号作用下，系统超调量Mp<25%，调节时间Ts<0.15秒。
从下图可以看出未校正的伯德图中可以看出；系统不满足校正要求，
输入以下函数：
n1=10;d1=[4.099e-0070.00026950.014760.1925];sys1=tf（n1,d1）;
[z,p,k]=tf2zp（n1,d1）;
z1=[z-1];
p1=[-598.6366-38.4242-20.4167-170]
sys=zpk（z1,p1,k）;
w=logspace（-1,5）;figure
（1）;bode（sys,w）;margin（sys）;
figure
（2）;nyquist（sys）;
figure（3）;rlocus（sys）
gridon;
校正前的伯德图：
校正后的伯德图：
从上图可以看出，校正后的伯德图中，pm=51.5,gm=13.4,通过计算可知其系统超调量Mp=20%<25%，调节时间Ts=0.8秒<0.15秒。
满足系统的要求。
3.3分别画出校正前校正后和校正装置的幅频特性图
校正前的幅频特性：
校正后的幅频特性：
校正装置的幅频特性：
3.3.1给出校正装置的传递函数：
G（s）=s+1/s+170;
从第一个未校正的伯德图中可以看到系统的指标不满足要求，此时幅值裕度和相角裕度都偏小，考虑添加一个较小的零点，为-1，加上零点后，发现幅值裕度依然偏小，但是相交裕度满足了要求，这时候再加上一个极点，经过几次的尝试得到极点-170可以满足给定的幅值裕度。
此时满足第一个性能指标，在经过超调量和调节时间的计算公式来计算相应的值，发现系统满足指标超调量Mp=20%<25%，调节时间Ts=0.8秒<0.15秒。
3.4分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析
校正前：
校正后：
分析：
由图可以看出，校正前是绕（-1，0j）1圈，即R=1，由奈氏判据得，p=0所以Z不等于0，闭环系统不稳定。
校正后的奈氏曲线未绕（-1，0j）点，R=0，则Z等于0，闭环系统稳定。
3.5分别画出系统校正前、后的的根轨迹图。
校正前：
n1=10;d1=[4.099e-0070.00026950.014760.1925];sys1=tf（n1,d1）;
[z,p,k]=tf2zp（n1,d1）;
z1=[z-1];
p1=[-598.6366-38.4242-20.4167-170]
sys=zpk（z1,p1,k）;
w=logspace（-1,5）;figure
（1）;bode（sys,w）;margin（sys）;
figure
（2）;nyquist（sys）;
figure（3）;rlocus（sys）
gridon;
从以上的校正后的根轨迹图可以看出，系统稳定。
4系统建模与仿真
4.1在SIMULINK中建立系统的仿真模型，
在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。
4.1.1这是未加环节时的scope：
4.1.2加上饱和非线性环节：
在下图中加入的是saturation模块是限幅的饱和特性模块，作用是对输入信号进行限幅。
4.1.3加上回环非线性环节：
下图中加入的是backlash模块，是磁滞回环特性模块
总结
为期两周的自动控制原理课程设计做完了。
通过这次课程设计，我对控制系统的校正有了更为深入的理解，但收获最大的还是在做设计的过程中，对问题的分析和计算有了很大的提高，同时也掌握了不少工程中计算的方法，为以后的设计奠定了更好的基础。
另外，通过这次课程设计，我还学习了使用Matlab软件实现对控制系统的仿真和分析。
本着严谨认真的态度，用毕业设计的论文格式作为标准来写这篇课程设计，同时也练习了对Word文字编辑软件的操作能力。
在刚开始拿到设计题目的时候，感觉比较困惑，无从入手，难以将课堂上学习的东西应用到实际的设计中去。
通过认真分析和参考一些资料，找到设计直流电机调速系统的一般方法，再结合自己的课题对系统进行校正，并对校正后的系统进行Bode图，Nyquist曲线等等方法的分析，对其闭环稳定性进行分析。
在分析的过程中，对分析问题，解决问题的能力有了很大的提高，在设计中积累了很多经验，也发现了很多自己的不足。
作为一名电气自动专业的学生自控原理的课程设计是很有意义的，也是必要的，通过这种课设，不仅对理论知识理解更深，在实践上面也得到锻炼，总之，收获颇多。
参考文献
[1]黄忠霖编.自动控制原理的MATLAB实现[M].北京:
国防工业出版社,2007.
[2]黄忠霖等编.控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京:
国防工业出版社,2010.
[3]程鹏编.自动控制原理[M].北京:
高等教育出版社,2010.
[4]胡寿松.自动控制原理（第四版）.北京科学出版社，2007
[5]胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京科学出版社，2007
[6]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助技术.机械工业出版社，2005
[7]蒋珉.控制系统计算机仿真.电子工业出版社，2006
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