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1、东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计设计题目： 转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真 学 生：张 海 松 专 业：自 动 化 班级学号：5090624 指导教师：王 立 夫 设计时间：2012年6月27日东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计任务书专业 ：自动化 班级 ：509 学生姓名 ： 设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真 一、设计实验条件实验设备：PC机二、设计任务 直流电机额定电压，额定电枢电流，额定转速，电枢回路总电阻，电感，励磁电阻，励磁电感，互感，允许过载倍数。晶闸管装置放大系数：，时间常数：，设计要求：对转速环进行设计，并用Matlab仿真
2、分析其设计结果。目录绪论-11. 转速单闭环调速系统设计意义-12. 原系统的动态结构图及稳定性的分析-2 2.1 转速负反馈单闭环控制系统组成-2 2.2 转速负反馈单闭环控制系统的工作原理-33. 调节器的选择及设计-3 3.1调节器的选择- -3 3.2 PI调节器的设计- -44.Mat lab仿真及结果分析-7 4.1 simulink实现上述直流电机模型-7 4.2 参数设置并进行仿真-7 4.3结果分析- -155.课设中遇到的问题-166.结束语 - -17参考文献 - -17转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真绪论 直流电动机由于调速性能好，启动、制动和过载转矩大，便于控制等
3、特点，是许多高性能要求的生产机械的理想电动机。尽管近年来，以变频器为核心的高性能交流调速技术不断普及，在许多调速要求指标不高的场合下广泛应用，大有取代直流电机调速的势头，然而，直流调速毕竟在理论和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它是交流调速的基础，交流调速的许多思想和方法都源自直流调速。 数字仿真是研究高性能电机控制系统的重要一环。为了设计出品质优良的电机控制系统，首先要对电机控制系统进行分析和试验。电机控制系统的数字仿真就是将电机控制系统的数学模型放到计算机上进行试验的技术，以获得研究系统所必须的信息是一种既经济又安全的试验方法。本文对单闭环直流电机调速系统的SIMULINK 仿真进
4、行了探讨，着重于模型的搭建以及参数的调试。1.转速单闭环调速系统设计意义为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,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,可用积分调节器代替比例调节器.反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本
5、不变，就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。 2.原系统的动态结构图及稳定性的分析2.1 转速负反馈单闭环控制系统组成转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。一，只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。二，反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。三，系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。图2.1是用集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制
6、有静差直流调速系统。 图2.1转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图ASR是调节器,当其选用P调节器时,就是一个有静差的单闭环调速系统;当其选用PI调节时,就是一个无静差的调速系统;GT是触发器装置;V是由电力电子器件组成的变换器,其输入接三相(或单相)交流电,输出为可控的直流电压;TG是测速发电机,它与电动机同轴安装。是给定电位器,通常由一个稳压电源供电,以保证给定信号的精度。与TG相串联的电位器是为获得调速负反馈系数而设置的一个电位器。已知测速发电机输出电压与电动机M的转速n成正比,即有,式中为直流永磁式发电机的电动势常数。假设电位器的分压系数为,则反馈电压,式中称为转速负反馈系数。2
7、.2 转速负反馈单闭环控制系统的工作原理 引入转速负反馈信号以后，放大器的输入信号是给定信号和反馈信号之差，即得到转速偏差。经过发达器ASR产生V所需要的控制电压,V的输出则为空空的直流电压,该电压即是直流电动机等效电路的主回路电压,用以控制直流电动机的转速,从而构成转速负反馈控制的单闭环直流调速系统。根据闭环控制规律,当电动机负载增加时，转速n则降低,反馈电压值将减小,偏差将增大,控制电压增大,V输出的直流电压增大,则电动机的转速上升,最终回到原来的运行速度,维持转速恒定。上述调节过程如下:3.调节器的选择及设计3.1 调节器的选择在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生
8、矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有PD、PI和PID三种类型。由于PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速
9、性的限制来换取系统稳定的，用PID调节器实现的滞后和超前校正则有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI调节器。如图3.1所示。图3.1比例积分（PI）调节器线路图3.2 PI调节器的设计已知系统为不稳定的。设计PI调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。已知参数:直流电机额定电压，额定电枢电流，额定转速，电枢回路总电阻，电感，励磁电阻，励磁电感，互感，允许过载倍数。晶闸管装置放大系数：，时间常数：，设计过程: 已知晶闸管放大系数： 设计反馈系数按给定电位器对应期望的输出转速设计反馈
10、系数,有 测速发电机反馈电位器的整定 运算放大器放大系数的确定 PI调节器传递函数的确定为了使系统稳定设置PI调节器，考虑到原始系统中包含了放大系数为的比例调节器，现在换成PI调节器，它的传递函数应为： 式中,为积分时间常数。 系统开环传递函数的确定已知工频电源的平均延迟时间,电磁时间常数机电时间常数,则系统固有部分的开环传递函数为 校正环节 将固有特性按校正成典型I型系统,取校正环节的时间常数,则校正装置的零点与最大时间常数的极点对消,系统的开环传递函数为 之后将看成小惯性群,简化后的小惯性环节时间常数 简化后的系统为二阶系统,开环传递函数为 二阶系统分别由时间参数和震荡参数表示时,有 参数
11、满足。按二阶最佳工程参数设计系统时,阻尼比,超调量为,此时 将带入上式,得 由,选定时,计算得 校正后系统的动态结构图校正后系统的动态结构图如图3.2所示。 图3.2(a) 转速负反馈闭环控制系统的动态结构图图3.2(b) 等效的动态结构图4.Matlab仿真及结果分析4.1 simulink实现上述直流电机模型 4.2 参数设置并进行仿真设置:阶跃信号 step1在04s电机空载,即;在410s电机满载,即。 取不同的值时有静差系统(比例调节器)的仿真结果: 通过仿真结果我们可以看出,4s之前空载,4s之后负载,加入负载后电机的转速有所下降,并随增加到一定值之前空载转速和负载转速都在增加,根
12、据电机静差率的公式,得知随增加到一定值之前静差率减小,即得出结论,在比例调节器控制的有静差调速系统中,在一定范围内,越大,空载转速和负载转速越大,静差率越小,系统效率越高,系统越稳定,但始终存在静差。 取不同的和值时无静差系统(比例+积分调节器)的仿真结果: 通过仿真结果我们可以看出,4s之前空载,4s之后负载,加入负载后电机的转速有所下降,但很快回到原速度,过渡时间极短,在保持一定的比例时，系统的性能都相对较好一点，但是当过大时，可能会导致系统不稳定，且调节时间也会相应的增加。得出结论:在比例+积分调节器控制的无静差调速系统中,在一定范围内,增大,空载转速有所增加,但幅度很小,而越大,即积分
13、时间越长,系统分定性越好,系统效率高,静差率始终为零,。4.3 结果分析 结合自动控制系统相关知识，对上述结果进行分析。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增
14、加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分作用使控制器的输出和偏差的积分成比例，故过度过程结束时无余差，但是加上积分作用，稳定性降低。积分作用是增大比例度，保持稳定性，但超调量和振荡周期增大，过度时间增长。在控制工程中，PI控制器主要用来改善控制系统是的稳态性能。通过以上的仿真结果我们可以看出来，在保持一定的比例时，系统的性能都相对较好一点，并且系统的越大，就相当于积分的时间越长一点，则系统的稳定性能越好，且其抗干扰能力也比较强，但是当大时，可能会导致系统不稳定，且调节时间也会相应的增加。在只有比例
15、环节时，为了达到输入量，增大的值，而增大的值，带来的后果是使系统变得不稳定。而在加入积分环节之后，通过同时调节和的值可以达到一个很好的控制效果。说明积分环节能够使系统达到一个稳定的效果，由于积分环节积分时间的影响，在加入负载之后，其输出虽然在加入瞬间有个干扰，但是很快输出基本上能够稳定跟上原来的输出，这样就增加了其抗干扰能力,提高了系统效率。 5.课设中遇到的问题 在本次课设中,在校正前的开环放大倍数和开环放大系数之间的关系和校正后的关系有所混淆,在应用matlab软件的时候,由于平时接触不多,所以在一些地方卡住了,比如仿真框图的绘画,在仿真的时候,Constant参数设置成220,转速的坐标
16、显示到,之后将参数改成22,转速坐标显示25003000,与课设给的1460有很大出入,这个问题仍旧没有解决。 6.结束语课程设计是我们在校期间的一次综合训练，它将从思方法、理论知识以及动手能力方面给予我们严格的要求。使我们综合能力有一个整体的提高。它不但使我们巩固了本专业所学的知识，还使我们了解有关行业和技术、规范的了解。它将为我们以后的学习、工作打下良好的基础。参考文献:自动控制系统 任彦硕.赵一丁.张家生主编 北京邮电大学出版社 2003.6自动控制原理 任彦硕主编 机械工业出版社 2007.2电力电子技术 金海明.郑安平主编 北京邮电大学出版社 2006.9电机原理与拖动基础 张家生主编 北京邮电大学出版社 2006.2MATLAB实用教程-控制系统仿真与应用 于浩洋.初红霞.王希凤主编 化学工业出版社 2009.5MATLAB在自动控制中的应用 吴晓燕.张双选主编 西安电子科技大学出版社 2006.9
