課程設計----直流調速系統(tǒng)的計算機仿真研究

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　課程名稱 自動控制系統(tǒng) </p><p>　　題目名稱 直流調速系統(tǒng)的計算機仿真研究 </p><p>　　學生學院 自動化 </p><p>　　專業(yè)班級

2、 </p><p>　　學 號 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>

3、;　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　一、課程設計的內容</b></p><p>　　利用自動控制系統(tǒng)與計算機仿真等課程知識，掌握雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)控制器結構與參數(shù)設計方法。在計算機環(huán)境下完成控制系統(tǒng)的設計、調試，以及實驗，進一步鞏固和提高系統(tǒng)觀念，掌握所學的理論知識。 </p><p>　　二、課程設計的

4、要求與數(shù)據(jù)</p><p>　　設計一個由三相零式晶閘管裝置供電的轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，其基本數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　直流電動機:Pn=58kW, Un=220V, In=280A, nn=1000r/min,Ce=0.2V/(r*min^-1).</p><p>　　主回路總電阻：R=0.18Ω</p><p>　　晶閘管裝置放

5、大倍數(shù)：Ks=30</p><p>　　電磁時間常數(shù)：T1=0.018s</p><p>　　機電時間常數(shù)：Tm=0.130s</p><p>　　反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.0028s，Ton=0.0138s</p><p>　　額定轉速是的給定電壓：Un*=15V</p><p>　　調節(jié)器的飽和輸出電壓：10V

6、</p><p>　　系統(tǒng)得調速范圍：D=11</p><p>　?。?）確定電流反饋系數(shù)β和轉速反饋系數(shù)α，假設起動電流限制在280A以內。</p><p>　?。?系統(tǒng)的靜動態(tài)指標為：無靜差。動態(tài)指標為：電流超調量σi%<6% ，空載起動到額定轉速時的轉速超調量σn%<11%，調節(jié)器輸入電阻R0=40KΩ。</p><p>　

7、　三、課程設計應完成的工作</p><p>　　1．完成直流調速系統(tǒng)的建模與實驗；</p><p>　　2．根據(jù)課程設計的系統(tǒng)性能指標的要求，完成系統(tǒng)電壓、電流環(huán)調節(jié)器的設計；</p><p>　　3．利用MatLab工具軟件完成所設計系統(tǒng)的仿真實驗，驗證所設計系統(tǒng)的合理性；</p><p>　　4．實驗完成后，提交課程設計及實驗報告一份。&

8、lt;/p><p>　　四、課程設計進程安排</p><p>　　五、應收集的資料及主要參考文獻</p><p>　　［1］馮垛生、鄧則名等.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].廣州：廣東科技出版社，2001年</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要…………………………

9、……………………………………………………5</p><p>　　1.設計內容…………………………………………………………………………5</p><p>　　2.電流環(huán)的設計……………………………………………………………………5</p><p>　　3.轉速環(huán)的設計……………………………………………………………………6</p><p>　　4.

10、系統(tǒng)仿真…………………………………………………………………………8</p><p>　　5.心得體會…………………………………………………………………………13</p><p>　　6.參考文獻…………………………………………………………………………13</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　本

11、次設計按工程設計的方法設計直流電動機電流轉速雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。根據(jù)先內環(huán)后外環(huán)的設計原則，先設計出電流環(huán)，再將其作為轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)處理，設計轉速環(huán)。按設計要求完成雙環(huán)的控制器設計后，應用Matlab7進行系統(tǒng)仿真檢驗。</p><p>　　關鍵詞: 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，Matlab仿真</p><p><b>　　設計內容：</b></p><p>

12、;　　設計一個由三相零式晶閘管裝置供電的轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，其基本數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　直流電動機:Pn=58kW, Un=220V, In=280A, nn=1000r/min,Ce=0.2V/(r*min^-1).</p><p>　　主回路總電阻：R=0.18Ω</p><p>　　晶閘管裝置放大倍數(shù)：Ks=30</p><

13、p>　　電磁時間常數(shù)：T1=0.018s</p><p>　　機電時間常數(shù)：Tm=0.130s</p><p>　　反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.0028s，Ton=0.0138s</p><p>　　額定轉速時的給定電壓：Un*=15V</p><p>　　調節(jié)器的飽和輸出電壓：10V</p><p>　　系統(tǒng)

14、的調速范圍：D=11</p><p>　?。?）確定電流反饋系數(shù)β和轉速反饋系數(shù)α，假設起動電流限制在280A以內。</p><p>　　（2系統(tǒng)的靜動態(tài)指標為：無靜差。動態(tài)指標為：電流超調量σi%<6% ，空載起動到額定轉速時的轉速超調量σn%<11%，調節(jié)器輸入電阻R0=40KΩ。</p><p><b>　　電流環(huán)的設計</b>

15、;</p><p>　　根據(jù)設計要求，σi%<6%，無靜差。則電流環(huán)應校正成典型I型系統(tǒng)。三相零式晶閘管供電裝置中晶閘管的失控時間為：</p><p>　　Ts=1/(2mf)=1/(2*3*50)s＝0.0033s</p><p>　　電流環(huán)的小時間常數(shù)為</p><p>　　T∑i=Ts + Toi=0.0033s+0.0028s=

16、0.0061s</p><p>　　ACR選用PI調節(jié)器，WACR（S）=Ki（τi S+1）/τi S</p><p>　　查表取KT＝0.5（見文獻【1】P58表3－2）</p><p>　　電流環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)：</p><p>　　KI=wi=1/(2T∑i)=1/(2*0.0061)=82.0</p><p>

17、;<b>　　電流調節(jié)器的參數(shù)：</b></p><p>　　τi=T1= 0.018s </p><p>　　β=Uw/1.1In=10V/(1.1*280A)=0.0325V/A </p><p>　　Ki=(KIτiR)/(βKs)=(82.0*0.018*0.18)/(0.032*30)=0.273</p><

18、p>　　電流調節(jié)器原理圖如圖所示，</p><p>　　取R0=40KΩ，則</p><p>　　Ri=KiR0=0.273*40KΩ=10.92KΩ，可選Ri=11KΩ;</p><p>　　Ci=τi/Ri =0.018*1000/11uF=1.64uF,可選Ci=1.5uF;</p><p>　　Coi=4Toi/R0=4*0.0

19、028*1000/40uF=0.28uF,可選Coi=0.27uF .</p><p>　　按上述參數(shù)，電流環(huán)可達到的跟隨性能指標為</p><p>　　σi%=4.3%<6%</p><p><b>　　滿足設計要求。</b></p><p><b>　　近似條件校驗：</b></p&

20、gt;<p>　　晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：wci≦1/(3Ts)</p><p>　　1/(3Ts)=1/(3*0.0033)=100.1>82.0=wci</p><p>　　忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件：wci≧3（1/TmT1）^(1/2)</p><p>　　3(1/TmT1)^(1/2)=3(1/(0.130*0.018))^

21、(1/2)=62.0<82.0</p><p>　　小時間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理條件：wci≦(1/3)*（1/TsToi）^(1/2)</p><p>　　(1/3)*（1/TsToi）^(1/2)=109.7>82.0</p><p>　　三項近似處理均滿足近似條件。</p><p><b>　　轉速環(huán)的設計：</

22、b></p><p>　　電流環(huán)的等效時間常數(shù)為2T∑i=2*0.0061s=0.0122s</p><p>　　轉速環(huán)的小時間常數(shù)為T∑n=2T∑i+Ton=0.0122s+0.0138s=0.0260s</p><p>　　因為設計要求靜態(tài)無差，轉速調節(jié)器可采用PI調節(jié)器。為了減少退飽和超調量，并具有較強的抗干擾能力，可按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計轉速環(huán)，轉速調節(jié)器

23、的傳遞函數(shù)為WASR（S）=Kn（τn S+1）/τn S。</p><p>　　由超調量指標：σn%<11%，可知，</p><p>　　σn%=（△Cmax/Cb%）×2(λ-Z)×(△nn*×T∑n)/(n*×Tm)<11%</p><p>　　nn=（InR）/Ce=(280*0.18)/0.2 r/min

24、=252 r/min</p><p>　　n*=nn=1000r/min</p><p>　　取Z＝0，而λ＝1.1，所以有：</p><p>　　△Cmax/Cb%<99.2%</p><p>　　按跟隨與抗擾性能都較好的原則，查表取h=5（見文獻【1】P64表3－6），則ASR的時間常數(shù)為</p><p>　

25、　τn =hT∑n=5*0.0260s*=0.130s</p><p>　　轉速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)為</p><p>　　KN=(h+1)/（2h^2*T∑n^2）=6/（50*0.026^2）=177.5</p><p>　　ASR的比例放大系數(shù)為</p><p>　　α=Un*/nn=15V/(1000r/min)=0.015V.min/r

26、</p><p>　　Kn ＝[（h+1）βCeTm]/(2hRαTn)</p><p>　?。?6*0.032*0.2*0.13)/(10*0.18*0.015*0.026)</p><p><b>　?。?.11</b></p><p>　　轉速調節(jié)器原理圖如下：</p><p>　　取R0=

27、40KΩ，則</p><p>　　Rn=KnR0=7.11*40KΩ=284.4KΩ，可選Rn=270KΩ</p><p>　　Cn=τn/Rn=1000*0.130/40uF=0.325uF，可選Cn=0.33μF </p><p>　　Con=4Ton/R0=4*0.0028*1000/40uF=0.28,可選Con=0.27μF</p><

28、p><b>　　又知</b></p><p>　　σn%=（△Cmax/Cb%）*2(λ-Z) △nn n* *T∑n/n*Tm</p><p>　　當h=5時，查表得△Cmax/Cb%=81.2% ，</p><p>　　此時σn%=9.0%<11%, 滿足超調量指標要求。</p><p><b&g

29、t;　　最后檢驗近似條件：</b></p><p>　　ωcn =KN/ω1=KNτn=177.5*0.130=23.1<ωci</p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件：ωcn≤1/（5 T∑i）</p><p>　　1/(5T∑i) =1/(5*0.0061)=32.8>ωcn</p><p>　　(2)小時間

30、常數(shù)環(huán)節(jié)近似條件： ωcn≤1/3√—（1/2 T∑iTon）</p><p>　　1/3*√—[1/(2 T∑iTon)]=25.7>ωcn</p><p>　　以上兩項都滿足近似條件。</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如下：</p>&l

31、t;p><b>　　MatLab仿真</b></p><p><b>　　1、電流環(huán)仿真</b></p><p><b>　　(截圖)</b></p><p><b>　　結果：</b></p><p><b>　　超調量 ：</b&

32、gt;</p><p>　　σ%=（323.1-307.7）/307.7=5.0%</p><p><b>　　滿足超調指標。</b></p><p><b>　　2.雙閉環(huán)系統(tǒng)：</b></p><p><b>　　仿真結果：(截圖)</b></p><p

33、><b>　　電流環(huán)輸出：</b></p><p><b>　　轉速環(huán)輸出：</b></p><p><b>　　3、伯德圖：</b></p><p>　　（1）轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)轉速環(huán)的動態(tài)結構圖</p><p><b>　　（2）電流環(huán)：</b>

34、;</p><p>　　開環(huán)傳遞函數(shù)：G1=(1/β)/（2T∑i S+1）=（1/0.0325）/（2*0.0061S+1）</p><p>　　=30.77/(0.0122S+1)</p><p>　　由命令g1=tf([30.77],[0.0122 1]);bode(g1) </p><p>　　可得電流環(huán)的伯德圖：</p>

35、<p><b>　　(截圖)</b></p><p><b>　　轉速環(huán)的伯德圖：</b></p><p>　　轉速環(huán)的近似處理開環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p>　　G2=KN (τn S+1)/S^2(T∑nS+1)=177.5*(0.130S+1)/S^2(0.026S+1)</p><

36、p>　　=(23.075S+177.5)/(0.026S^3+S^2)</p><p>　　由命令G2=tf([23.075 177.5]，[0.026 1 0 0])；bode（G2）</p><p>　　可得伯德圖：(截圖)</p><p><b>　　心得體會：</b></p><p>　　通過本次課程設計，

37、體會最深的就是對所學內容的深刻認識。在設計之初以為自己所學已很牢固，然而動手之后才發(fā)現(xiàn)許多東西，要么知其然不知其所以然，要么根本無從下手?；仡櫫苏n本及查閱了相關資料后才有整體的認識，對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)才有了進一步的認識。還有學會了Matlab仿真的應用。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　馮垛生、鄧則名等.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].廣

38、州：廣東科技出版社，2001年</p><p>　　飛思科技產品研發(fā)中心編著.MATLAB7輔助控制系統(tǒng)設計與仿真.北京：電子工業(yè)出版社，2005.3</p><p>　　線性控制系統(tǒng)工程：英文/（美）德賴斯（Driels，M.）著.北京：清華大學出版社，2000.12</p><p>　　劉衛(wèi)國主編.-2版.-北京：高等教育出版社，2006.7(2007重印)&l