自動控制系統(tǒng)課程設計--晶閘管-直流電動機單閉環(huán)調速系統(tǒng)

1、<p>　　《電力拖動自動控制系統(tǒng)》報告</p><p>　　題目：晶閘管-直流電動機單閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p>　　系 別 電氣工程系 </p><p>　　班 級 本自動化092 </p><p>　　學 號 </p><p>　　學

2、生姓名 </p><p>　　指導老師 </p><p><b>　　2012年11月</b></p><p>　　題目：晶閘管-直流電動機單閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p><b>　　系統(tǒng)結構圖：</b></p>&l

3、t;p>　　已知數(shù)據(jù)：直流電動機：額定功率18kw、額定電壓220v、額定電流94A、額定轉速1000r/min、電樞回路電阻1歐；機械部分的飛輪慣量：10N.m^2；電樞回路總電感0.017H；</p><p>　　測速發(fā)電機：永磁式，額定功率23w、額定電壓110v、額定電流0.21A、額定轉速1900r/min；</p><p>　　整流變壓器：Y/Y聯(lián)接，二次線電壓230V；

4、</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源：15V</p><p>　　*其它相關數(shù)據(jù)：觸發(fā)整流器放大倍數(shù)設為40；</p><p><b>　　二、設計要求</b></p><p>　　調速范圍D=20，靜差率S10(按S=10計算)</p><p>　　超調量小于（或等于）25%</p>

5、<p><b>　　三、設計完后須提交</b></p><p>　　(1) 設計說明書(含靜態(tài)計算、穩(wěn)定性判定；調節(jié)器的選取及參數(shù)計算等)</p><p>　　(2) 系統(tǒng)的電路原理圖；</p><p>　　*(3) 系統(tǒng)的性能仿真(用MATLAB軟件)</p><p><b>　　控制結構圖<

6、;/b></p><p>　　有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結構圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖。</p><p>　　圖3、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖</p><p>　　同理，用各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表示成結構圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖。</p><p>　　由所學的相關課程知：放

7、大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換環(huán)節(jié)是一個時間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)。</p><p>　　所以，可以得到如下的框圖：</p><p><b>　　參數(shù)計算</b></p><p>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計算參數(shù)如下：取電機電樞電阻為0.5歐</p>&l

8、t;p>　　1.為了滿足D=20，s≤10%，額定負載時調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為</p><p>　　2.根據(jù) ，求出系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)</p><p>　　先計算電動機的電動勢系數(shù)</p><p>　　則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應為</p><p>　　3.計算測速反饋環(huán)節(jié)的放

9、大系數(shù)和參數(shù)</p><p>　　測速反饋系數(shù)α包含測速發(fā)電機的電動勢轉速比 和電位器的分壓系數(shù) ，即</p><p><b>　　α= </b></p><p>　　根據(jù)測速發(fā)電機數(shù)據(jù)，</p><p>　　試取 ，如測速發(fā)電機與主電動機直接聯(lián)接，則在電動機最高轉速成1000r/min下，反饋電壓為</p>

10、<p>　　穩(wěn)態(tài)時很小，即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為15V，可以滿足需要，因此所取的值是合適的。于是，測速反饋系數(shù)為</p><p>　　電位器的選擇方法如下：考慮測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的確20%，這樣，測速機電樞壓降對檢測信號的線性度影響較小，于是</p><p>　　此時 所消耗的功率為</p><p>　　為了使電位器溫度不是很高

11、，實選瓦數(shù)應為消耗功率的一倍以上，故選 為10W，1.5kΩ的可調電位器。</p><p>　　4.計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)</p><p><b>　　實取 </b></p><p>　　按運算放大器參數(shù)，取 </p><p>　　則 </p><p&

12、gt;<b>　　5.反饋電壓</b></p><p>　　6．系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)：</p><p><b>　　電磁時間常數(shù)</b></p><p><b>　　電機時間常數(shù)</b></p><p>　　對于三相橋式整流路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為</p>

13、<p>　　為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)的穩(wěn)定條件</p><p>　　按穩(wěn)態(tài)調速性能指標要求，因此，此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。</p><p>　　7．由于閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，利用伯德圖設計PI調節(jié)器，使系統(tǒng)在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運行。</p><p>　　原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　由上已知在這里，，因此分母中的二

14、次項可分解成兩個一次項之積，即</p><p>　　則閉環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)取為</p><p>　　于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是</p><p>　　其中三個轉折頻率分別 </p><p>　　利用margin命令函數(shù)</p><p>　　n1=[0 99.07]; d1=[0.071 1]; s1=tf(

15、n1,d1); </p><p>　　n2=[0 1];d2=[0.022 1];s2=tf(n2,d2);</p><p>　　n3=[0 1];d3=[0.00167 1];s3=tf(n3,d3);</p><p>　　sys=s1*s2*s3;margin(sys)</p><p>　　得出原始的閉環(huán)調速系統(tǒng)的頻率特性如下圖</

16、p><p><b>　　而 </b></p><p>　　因為相角裕度γ=-7.8deg和增益裕度GM=-4.17dB都是負值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　現(xiàn)在換成PI調節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的基礎上新添加部分的傳遞函數(shù)應為</p><p><b>　　所以</b></p>

17、;<p><b>　　取</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　于是，PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　最后，選擇PI調節(jié)器的阻容參數(shù)。已知，則</p><p>　　相角裕度γ=49.2deg和增益裕度GM=23.2dB都是正值，所以原始閉

18、環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　二、超調量小于（或等于）25%</p><p>　　系統(tǒng)其控制對象的傳遞函數(shù)</p><p>　　校正成典型的I型系統(tǒng)，調節(jié)器傳遞函數(shù)為 </p><p>　　校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　取 查表得：； 其中 </p>

19、<p><b>　　故：</b></p><p><b>　　仿真 </b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖得出仿真模塊及仿真圖</p><p>　　有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖所示，將前述靜態(tài)比例環(huán)節(jié)Ks換為</p><p>　　采用比例調節(jié)器的閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)結構

20、圖</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖,選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉速給定電壓，ramp模塊作為負載擾動，并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號綜合點，Derivative模塊作為微分器，最后加上示波器。由此建立有靜差調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行仿真。下圖為添加恒定負載時的仿真模型。</p><p>

21、;　　單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)添加恒定負載時的動態(tài)仿真模型</p><p>　　用Ramp模塊加上staturation模塊限幅作為負載擾動如下圖</p><p>　　給定為階躍函數(shù)時的有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)系統(tǒng)</p><p>　　無靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型如下圖所示。將有靜差調速系統(tǒng)的比例控制器換成比例積分控制器。</p><p>　　無靜差調

22、速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　經過一周的課程設計，我學會了很多平時沒有接觸的知識。已掌握的自動控制知識在本次實踐中得到了充分的發(fā)揮。經過老師的多次建議和我們自己翻閱資料，最終確定了這次的方案。在和同學合作的過程中，我也充分體會到了團結協(xié)作的重要性。完成了本次課程設計。經過這次課設，我學習并掌握了自動控制的基本工