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1、皖 西 学 院课程设计系 别：机电系专 业：09电气(电力拖动方向)学 生 姓 名：课程设计题目：电流转速单闭环直流调速系统起 迄 日 期: 11月5日 11月18日课程设计地点:指 导 教 师:俞 鹤 一、摘 要 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。本文通过利用Matlab仿真平台设计单闭环直流调速系统，包括单闭环直流调速系统的
2、基本构成和工作原理、对所设计系统的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink仿真模型，验证所设计系统的性能。关键词：稳态性能 稳定性 开环 闭环负反馈 静差 二、总体方案设计1、控制原理设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图根据设计要求，所设计的系统为单闭环直流调速系统，该系统的控制对象是直流电动机，被控对象是电动机的转速，晶闸管同步脉冲触发电路用来调节晶闸管的控制角，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，测速模块把测得的转速反馈到输入中。采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。 本系统由整流变压
3、器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机和测速反馈组成。图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经速度变换后接到电流调节器的输入端，与给定的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间。通过改变脉冲相位来改变三相全控整流的输出电压，达到控制电机转速的目的。电动机的转速随着给定电压变化，即反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。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
4、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三、各部件相关参数选择1、VM系统简介晶闸管电动机调速系统（简称VM系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点：（1）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。（2）元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超
5、过允许值都可能在很短时间内损坏元件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。图4 VM系统2、比例放大器 运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器、P调节器），如图5，为放大器的输入和输出电压，为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响 放大系数为3、UPE环节的原理图设计该环节的时间常数和放大系数的计算。UPE环节的动态结构图如下图6：整流电路：采用三相桥式全控整流。三相桥式全控整流电路原理图如图所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，
6、VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。四 、参数计算设计完系统框图，就可以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控制论对系统的分析。为了方便以下的计算，每个参数都采用统一的符号，这里先列出设计要求中给出的参数及大小：电动机：PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm Ra=0.5晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230v Ks=44主回路总电阻：R=1测
7、速发电机：PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm系统运动部分：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，电流仍连续生产机械：D=10 s51、静态参数设计计算A、空载到额定负载的速降nN由公式： （其中D，s已知） 得：nN5.26rpmB、系统开环放大倍数K由公式： （由公式 可算出Ce =0.1925Vmin/r） 得：K=53.3C、测速反馈环节放大系数a测速发电机电动势系数: UNc/ nNc=0.0579 Vmin/r测速发电机输出电位器RP2分压系数a2根据经验，人为选定a2=0.2则a=Cec a2=0
8、.01158注：RP2的选择主要从功耗方面考虑，以不致过热为原则。D、运算放大器的放大系数Kp由公式 （其中即a） Kp 20.14 取Kp=21 （若向小方向取，可能影响快速性，由于后加限幅电路，略大无妨）此处的近似，使k由53.3变为55.582、动态参数设计计算在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传递函数，所以要求出传递函数并根据已知求的传递函数中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是只是在不同场合下，参数K
9、s和Ts的数值不同而已。直流电动机的传递函数：假定主电路电流连续，则动态电压方程为：，如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为： 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为： ， 包括电机空载转矩在内的负载转矩，N-m； 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，N-m2； 电机额定励磁下的转矩系数，N-m/A； 电枢回路电磁时间常数，s； 电力拖动系统机电时间常数，s整理以上各式得： 式中为负载电流。在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数为： 电流与电动势间的传递函数为： 整个直流电动机的动态的结构图8所示图8直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环
10、节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即: 放大器: ，测速反馈: ，知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。由图可见，电力电子变换器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处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。 反馈控制闭环调速系统的动态结构图9所示：图9、反馈控制单闭环直流调速系统动态结构框图由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：式中 K = KpKsa / Ce ，其中,Ts晶闸管装置滞后
11、时间常数 Tm机电时间常数 Tl：电磁时间常数主电路电感值L根据要求在主回路电流为额定值10时，电流仍连续。结合抑制电流脉动的措施中关于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=0.017H其他未知参数计算电磁时间常数 机电时间常数对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 Ts = 0.00167 s 系统传函为： 五、稳定性分析稳定是系统首要的条件，一切的分析只有建立在稳定的基础上才有意义。1、基于经典自控理论得分析根据系统闭环传递函数特征方程应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是 代入整理得：或所以：把所得参数代入就是说，k小于49
12、.4系统才稳定。但是，按稳态调速性能指标要求计算出的要K 53.3它们是矛盾的。所以，当前的系统是不满足要求的。 2、用Simulink仿真Simulink仿真连接图输出示波器波形当前系统输出曲线输出示波器波形：很明显系统振荡（由于没加限幅，电流早已过大，电机已毁，实际中是不存在的六、系统校正为了满足要求，还保证系统的稳定性，一般采用加调节器校正的方法来整定系统。 1、调节器的选择PI调节器：比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，保持系统稳定运行，实现无静差调速。这是当给定电压恒定时，
13、闭环系统起到抑制作用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速稳定在一定的范围 之中。根据经验并验证，本系统加PI调节器可满足要求，调节器的传递函数为： 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调节时间：0.293s 超调量：11.3 图7、单位阶跃响应由下图可见，电枢电流峰值达到了250多安，实际电机允许的瞬间最大电压为额定值的1.5倍，即82.5A，所以此系统还需加限流装置。电机电枢电压及转速曲线 2、限流装置的选择：当时二极管截止，时二极管导通；电流负反馈信号即可加到放大器上去，因此，截止电流，堵转电流联立上式 电流截止负反馈
14、环节如上图11所示：Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 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，一般取 本系统限流值应为：82.5A七、系统验证1、分析系统的各项指标程序：k=692670;d=conv(conv(1 0,1 38.5),1 600);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=26.6dB幅值穿越频率：c=152rad/sec 相角余度：=54.5 相角穿越频率：g=25rad/sec系统为1型
15、，速度误差系数：Kv=22、Simulink仿真系统验证系统运行情况系统可以作如下连接：给定：11.58超调15.28峰值时间0.285s调节时间0.5s可见，电机转速快速稳定在1000rpm，符合要求。八、小结通过对单闭环直流电机调速系统的全面设计，复习和巩固了自动控制原理、电力拖动自动控制系统运动控制系统等一系列专业相关知识，在设计过程中，对以前不明白的地方有了新的认识和具体的把握。学习的MATLAB仿真技术，使自控原理中的各参数以及工作过程更直观的反映在屏幕上，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
16、决相关的控制问题，也使控制过程的脉络更加清晰。 九、参考文献1.顾绳谷电机与拖动基础机械工业出版社，19802.方承远工厂电气控制技术北京：机械工业出版社，20023.齐占庆. 机床电气控制设备.机械工业出版社，19874.杨玉娟. 机床电气控制. 机械工业出版社，19865.赵秉衡. 工厂电气控制设备. 冶金工业出版社. 20016.李仁电器控制北京：机械工业出版社，19987.赵明工厂电气控制设备北京；机械工业出版社，19858.陈远龄机床电气自动控制重庆：重庆大学出版社，19999.工厂常用电气设备手册北京：中国电力出版杜，199810.陈本孝电器与控制武汉：华中理工大学出版社，199611.熊葵谷电器逻辑控制技术北京：科学出版社，199812.陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.北京.机械工业出版社.200313.胡寿松. 自动控制原理.北京.科学大学出版社14.陆俊.电力电子技术北京.机械工业出版社.2005
