自控单闭环转速负反馈
自控单闭环转速负反馈的设计
摘要
随着电力电子器件、计算机技术和控制理论的迅速发展，电气传动自动化技术己广泛应用于各个工程领域。目前，功率集成电路己将主电路器件、控制驱动、保护等集成一体，为电气传动自动控制系统机电一体化开辟了广阔的前景，数字PWM技术、微机控制及各种新型控制技术。此设计为直流单闭环不可逆调速系统的设计，直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机，由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此，在工业领域仍占有一席之地。课程设计的重点是系统识别模式化，用传递函数的时，频域分析方法来分析系统的性能指标，可以得出直流电动机具有良好的调速能力。
关键词：控制系统；传递函数；频率；幅值；相角；
引言
如果系统设计要求满足的性能指标属频域特征量，则通过采用频域校正方法。在开环系统对数频率特性基础上，满足稳态误差、开环系统截止频率和相角裕度等要求出发点，进行串联矫正的方法。在伯德图上虽然不能严格定量的给出系统的动态性能，但却能方便地根据频域指标确定校正装置的形式和参数，特别是对校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其它方法更方便。串联滞后校正-超前校正兼有滞后校正和超前校正的优点，当待校正系统不稳定，且要求校正后系统的响应速度、相角裕度和稳态精度要求较高时，应采用串联滞后-超前校正。其基本原理是利用滞后-超前网络的超前部分来增大系统的相角裕度，同时利用滞后部分来改善系统的稳态性能。
1 课程设计内容及要求
1.1设计内容
已知单位负反馈系统的开环传递函数为：
()(0.11)(0.011)
k K
G s s s =
++
用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性指标：
1） 在单位斜坡信号t t r =)(作用下，系统的速度误差系数1100-=s K v ；
1≤ω时，()sin r t t ω=谐波输入的稳态误差70
1≤ss e ；
2） 系统校正后，相位裕量：045)(>c ωγ；在幅值穿越频率c ω之前不允许有
60/dB -十倍频；
3） 对Hz 60的扰动信号，输出衰减到250/1。
1.2设计要求
1) 转速负反馈的闭环调速系统中各环节的稳态关系
2) 详细设计（包括的图形有：串联校正结构图，校正前系统的Bode 图，校正装置
的Bode 图，校正后系统的Bode 图）；
3) TLAB 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）； 4) 转速负反馈调速系统的动态分析 5) 了解系统稳定条件
2 转速负反馈速系统
2.1 系统稳态结构
对应于图（1）的转速负反馈系统，在分析其稳态特性时，假定以下条件：
（1）每上环节的输入输出关系在工作点附近作线性近似； （2）系统工作在V-M 系统开环机械特性的连续段； （3）忽略直流电源和电位器的内阻。
转速负反馈的闭环调速系统中各环节的稳态关系如下： 测速发电机 n u h α=
V-M 系统开环机械特性 c
r
u
e
d
do i
n -
=
晶闸管变流器与触发装置 u
k u ct
s
do =
放大器 u k
u n p
ct ?=
电压比较环节 u u u n n n -=?*
综上所述各环节的稳态关系式，可以画出系统的稳态结构图，如图（2）（a ）所示，图中方块中的符号是相应环节的放大系数，或称传递系数。对应于图（3）开环调速系统的稳态结构图如图（2）（b ）所示。
2.2 系统静特性方程
从闭环调速系统各环节的稳态关系式中消去中间变量，可得转速负反馈调速系统静特性方程式
c
k k c i u k k e
s
p
e
d
n
s
p
r n α+-=
*
1( （1）
此处是图（2）（a ）（b ）
式中 c k
k e
s
p
k α
=
（2）
式（1）表示闭环系统电动机转速与负载电流（或电磁转矩）的静态关系，称为调速系统的静特性，它和开环系统的机械特性类似，但概念上却有本质的不同。
式（2）表示闭环系统的开环放大系数，它相当于在测速发电机输出端把反馈回路断开，从放大器的输入一直到测速发电机的输出所包含的各个环节的放大系数的乘积，要注意， 是电动机的放大系数（
c
e
1
=
E
n ）。
由稳态结构图方知，U
N
*为系统参考输入量，I d R 系统的扰动输入量，它们分别作
用于系统，求出系统的输出量。由于认为系统是线性的，将系统的输出量进行叠加，也可以得到式（1）的系统静特性方程式。
3 转速负反馈系统稳态分析和计算
（1） 在相同（2） 负载条件下，（3） 闭环系统的转速降落n c 1?和开环降落n op ?相比， 减少了（1+K ）倍，即由，
i
c
n d
e
op r
=
? （3）
得n n op c k
?+=
?111
在开环调速系统，当负载增大时，变流器输出电压u do 保持不变，转速降低，电动机反电势减少，电动机电磁转矩增大，使系统在新的较低的转速上运行。在闭环调速系统中，当负载增大时，变流器输出电压u do 会随之增大，系统工作在新的机械特性上，转速降落较少，如图（3）所示，设原始工作点为A ，对应负载的电流为i d 1，电压u u do do 1=，当负载增大时，对应电流为i d 2，若系统为开环工作，则对应工作点就为A '，当系统为闭环工作时，变流器输出电压为u u do do 12?，对应工作点为B ，显然，闭环的稳态转速降落较开环的小，闭环调速系统的静特性是由开环系统机械特性上的一些特征点构成的，如图（3）上的A 、B 、C 、D 、等各点的集合构成了闭环调速系统的静特性。
（2）闭环系统的理想空载转速可以表示为
n
cl
0=
)
1(*
K C U K K e n
s p + （4）
比较式c
u k k c
u n e
op s
p
e
do op =
=
0和式（4）
，如果u
u
n
op
=
，则有
n ocl =
op n K
011
+ （5）
可见闭环后的理想空载转速比开环的降低了（1+K ）倍。降低的原因是开环时放输入电压 U op =U *n 比较大，闭环时放大器输入电压 u u n n u -=?*
比较小。如果
U *n =（1+K ）U OP （6） 就可以做到 n n
n cl
op 0
00=
= ，闭环系统和开环系统的静差的率分别为
S cl =
n n cl ?
S op =0n n op ?
S cl =
OP S K
+11
（7）
式（7）表时明，在同样理想空载转速条件下，闭环系统的静差率为开环系统时 k +11 倍，若要求有同样的静差率，则闭环调速系统的调速范围可以 扩大（1+K ）倍，根据式（3），开环时，调速系统调压调速范围D op 为 D op =
)
1(S n S n op nom -?
闭环时， D cl =
)
1(S n S n cl nom -?
由式（3）得 D cl =（1+K ）D op （8）
4 转速负反馈调速系统的动态分析
综上所述，闭环系统的开环增益K 值越大，系统的转速长稳态误差越小。然而，放大系统太大时，可能会造成闭环系统稳定，须采取校正措施才能使系统正常工作。此外，系统还须满足各种动态的性能指标，为此，必须进一步分析系统的动态性能。
4.1 系统动态结构图
为了对调速系统进行稳定性和动态品质分析，须建立系统的数学模型。通常先根据
系统中各环节的物理规律，列写出描述该环节动态过程的微分程，进而求出各环节的传递函数，然后，组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。下面将分别给出闭环调速系统各环节的传递函数和闭环调速系统的传递函数。
4.1.1 直流电动机的传递函数
图（5）给出了额定励磁下他励直流电动机的等值电路，规定的正方向如图箭头方向所示，设主电路电流连续，可写出微分程式 U do =RI d +L E
dt
dI d
+ （9）
E=C n e T dt
dn GD T L e ?
=
-375
2
d m
e I C T =
式中： E----额定励磁下的感应电动势； T e ----额定励磁下的电磁转矩；
T L ----包括电机空载转矩在内的负载转矩；
GD 2
----电气传动系统运动部分分析算到电机轴上的飞轮量； c m =30πc e -----额定励磁下的转矩电流比。 将上述微分方程式加以整理可得以下方程 U )(dt
dI T I R E d
L
d do +=-
I dt
dE R
T I m dL d ?
=
-
式中：R L T L = ----电磁时间常数； c c GD T m
e
m R 3752
=系统机电时间常数；
T
I M
L
dl = ----负载电流。
在零初始条件下，取上述方程式两侧的拉氏反变换，分别得到如下述传递函数表达式
1
/1)
()()(+=
-S T R S E S U S I L do d (10)
s
T R s I s I s E m dL d =
-)
()()( (11)
根据式（10）和式（11）并考虑到n=c
e
E
，即可得到额定励磁下直流电动机的动态
结构图，如图（4）所示。也可简化成图（5）所示
4.1.2 晶闸管变流器的传递函数
晶闸管变流器环节的输出量是理想空载整流电压u do ，其输入量是触发电路的控制电
压 u ct ，晶闸管变流器可以近似为一个具有纯滞后的放大环节，其滞后时间是由晶闸管变流器的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化对它就不再起作用，直到该元件承受反电压关断后为止，因此，造成了整流电压滞后与控制电压的状况。
下面以单相全波电阻负载整流为例来讨论滞后的形成及滞后时间的大小。设t 1时刻，某一对晶闸管触发导通，控制角为 α1，如果控制电压 u ct 在t 2 时刻发生变化，从u ct 1突降到u ct 2，但由于晶闸管已经导通，控制电压的改变对它已不起作用，平均整流电压u do 2并不会立即改变，必须等到t 3时刻该元件关断以后，触发脉冲才有可能控制另外一对晶闸管。设（u ct 2）对应的控制角为α2，则另一对晶闸管在（4
t
）时刻才导通，平均整流电压变
成（2do U ），假设平均整流电压是在自然换相点变化的，则从（CT U ）发生变化到（do U ）发生变化之间的时间（S T ）便是滞后时间，称失控时间，显然，滞后时间（S T ）的值是随机的，它的大小随（CT U ）发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间是两个自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，可由下式确定 T max s =
mf
1
式中：f-----交流电源频率
m-----交流电源一周波内整流电压波头数。
相对于整个系统的响应时间来说，T s 是不大的，在一般的情况下，可取其统计平均
值 T
T mas
s 2
1=
，并认为是常数。
设控制电压ct
为阶跃变化，则晶闸管变流器的输入输出关系可表示为
U )(1S ct s do T t U K -?= （12） 上式两边取拉氏反变换，晶闸管变流器的传递函数关系为
S
T s ct do s e
K s U s U -=)
()( （13）
由于式（13）中包含有指数函数s t e s
1
，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都
比较麻烦，为此应加经简化，将s t e s
1
按台劳级数展开，考虑到T s 相对于系统其他时间常
数是较小的原因，忽略其高次项，则晶闸管变流器环节的传递函数可用一阶惯性环节近似，即
1
)
()(+≈
S T K s U s U s s ct do （14）
对比式（13）和式（14），它们的频率特性如图（5）所示，从图中可以看出，T
w s
1?
时，
两者的频率特性比较接近，如果闭环系统的开环频率特性的截止频率w c 为
S
c T 31≤
ω （15）
则晶闸管变流器近似为一阶惯性环节不会有太大的误差,式（15）可作为近似的工程条件。
图10给出了晶闸管变流器的近似动态结构图。
4.1.3 比例放大器和测速发电机的传递函数 比例放大器和测速发电机的传递函数分别为：
p n ct K s U s U =?)
()(
α
=)
()(s n s U n
式中：k p 比例放大系数
α速度反馈系数
4.1.4 闭环调速系统的传递函数
求出了系统各环节的传递函数之后，把它们按在系统中的相互关系接起来，就可以构成系统的动态结构图，如图11所示。由图可以写出闭环调速系统的传递函数 )(1s w c ，即
W )
1)(1(/1)1)(1(/)(22
++++
+++=
s T s T T s T C K K s T s T T s T C K K s m l n s e
s p m l m s e
s p cl （16）
=
K
s T s T T s T C K K m l m s e
s p ++++)1)(1(/2
式中
K=e
s p C K K α
式16又可改写成
W 1
11)(1)
1()(2
2
++++
+++
++=
s K
T T s K
T T T s K
T T T K C K K s s m s l m s l m e s
p cl （17）
从式（17）可知，从给定输入作用上看，带比例比放大器的闭环转速负反馈系统可以看作是一个三阶线性系统。
5 系统稳定条件
由式（17）可写出闭环调系统的特征方程式为
0111)(12
3
=++++
+++
+s K
T T s K
T T T s K
T T T s m s l m s l m （18）
它的一般表达式为
0322
13
0=+++a s a s a s a 根据劳斯——古尔维茨稳定性判据，可求出系统稳定的充分必要条件为 a 0>0, a 1>0,a 3>0,a 3021a a a - 式18的各项系数显然都是大于零的，因此系统稳定条件为 011)(1)(>+-++?++K
T T T K T T K T T T s
l m s m s l m
或为
(T s l s m s l T T K T T T )1())(+>++ 整理后得 K l s s l m T T T T T T 2 )(++ （19） 结束语 通过此次设计，使我们知道了如何必免直流可逆调速发生，使在不可逆的条件下保证各项工作正常进行，有效利用直流的作用进行工作，提高直流机的各项性能指标。使我们了解了调速的分类、调速系统的静态指标、调速系统的时域指标、开环和闭环调速系统的特点、晶闸管变流器转速负反馈调速系统、转速负反馈调速系统的动态分析、电压负反馈调速系统、电压负反馈加电流补偿的调速系统等等。 参考文献 [1] 易继锴，《现代控制系统设计》，北京工业大学出版社，1992。 [2] 冯国楠，《现代伺服系统的分析与设计，机械工业出版社，1990 [3] 曾乐生，《随动系统》，北京工业学院出版社，1986 [4] 许世范，《现代控制理论基础》，中国矿业大学出版社，1990 [5] 李士勇，《糊控制和智能控制理论与应用》，哈尔滨工业大学出版社，1990 [6] 刘竞成主编，《流调速系统》上海交通大学出版社，1984 [7] 邓想珍，赖寿宏，《步电动机变频调速系统及应用》华中理工大学出版社，1992 [8] 佟纯厚，《流电动机晶闸管调速系统》，械工业出版社，1988 [9] 侯媛彬等，《边控制滑模变结构同步机调速系统、智能控制与智能自动化》，科学出版社，1993 [10] 《电气工程师手册》，机械工业出版社，1987 自动控制系统习题 一、 简述题 1. 简述转速、电流双闭环调速系统的启动过程。 答：转速、电流双闭环调速系统的启动有三个阶段，即：强迫建流阶段、恒流升速阶段、稳速阶段。强迫建流阶段中，电枢电流由零上升到电机允许的最大电流，速度调节器ASR 饱和，其输出限幅，电流环线性调节；恒流升速阶段中，电机在允许的最大电流下，转速由零上升到给定速度，速度开环控制，电流为恒流系统；稳速阶段中，系统经退饱和超调后，速度调节器线性状态，系统为调速系统，调节电流、速度达到稳态。 2. 简述PWM 变换器中，泵升电压是怎样形成的？如何抑制。 答：PWM 变换器的直流整流电源由整流二极管构成，不能反馈能量，能量只能单向传递。当主回路的能量反馈时，该能量储存在储能电容上，使电容上电压升高，该升高的电压为泵升电压。抑制泵升电压的措施有2：1是提高储能电容的容量，使上升的电压得到抑制；2是在主电路的母线上接电流分流器，当主电路电压过高时，通过分流器将能量释放，使主电路电压下降。 3. 简述自然环流电枢可逆转速、电流双闭环调速系统的正向制动过程分为几个阶段？各阶段的能量传递的 特点。 答：电枢可逆调速系统制动有四个过程，即本组逆变、反接制动（它组建流子阶段）、回馈制动（它组逆变 子阶段）、它组逆变减流子阶段。本组逆变阶段中，主电路中电感电能传递给电网，电动机电动状态；反接制动阶段中，电网的电能以及电动机机械能传递给主回路的电阻和电感转化为热能和磁场能量，电动机反接制动；回馈制动中，电动机的机械能传递给电网，电动机回馈制动；它组逆变减流子阶段中，主电路中电感电能传递给电网。 4. 闭环控制系统的静特性和开环机械特性的主要区别是什么？ 5. 什么叫调速范围、静差率？它们之间有什么关系？怎样提高调速范围？ 答：调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速与最低转速之比。静差率：系统在某一转速下运行时， 负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落与理想空载转速之比。 调速范围与静差率的关系为： (1) nom nom n s D n s = ?-。从D 与s 的关系来看，提高电动机的额定转速（最高转速）、提高静差率s ，以及降低转速降均可以提高调速范围，但是，由于提高D ，牺牲静差率s ，以及提高电动机额定转速（最高转速）受限制，所以一般采用降低系统转速降来提高调速范围。具体降低转速降是通过采用转速负反馈控制。 6. 在转速－电流双闭环系统中，ASR 和ACR 均采用PI 调节器，输出限幅为10V ，主电路最大电流整定为 100A ，当负载电流由30A 增大到50A 时，ASR 输出电压如何变化？ 7. 简述随动系统的定义，并比较随动系统与调速系统的异同点。 答：位置随动系统定义：输出以一定精度复现输入的自动控制系统。 位置随动系统与调速系统均是反馈控制系统，即通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原理是相同的。 调速系统的给定量是恒值，系统的抗扰性能要求高。随动系统的输入量是变化的，系统要求输出响应 快速性、灵活性、准确性较高，随动性能为主要指标。随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环位置环是随动系统的主要特征，在结构上它比调速系统复杂一些。 8. 简述随动系统中，为什么常常采用复合控制？ 答：随动系统在系统设计和评价时，主要考虑系统的稳定性、系统的动态性能指标以及稳态误差和 动态误 差。同时，跟随性能对随动系统是很重要的。由于以上性能指标常常是相互制约的，系统在设计时若兼顾以上诸多方面是很困难的。因此，系统设计时，常常首先考虑系统的稳定性和动态性能，设计出较为满意的闭环系统，然后在闭环系统的基础上，增加针对给定和扰动的开环控制（前馈和顺馈），即采用闭环和开环的复合控制。由于采用复合控制中的开环控制不影响系统的稳定性，且顺馈和前馈可以通过 学号： 中州大学电机及拖动课程设计题目：转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计 姓名： 专业：电气自动化 班级： 指导老师：赵静 2014年6月10号 摘要 该设计是转速负反馈的单闭环直流调速系统，目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，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，对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，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，转速负反馈单闭环使用较多。在设计中用MATLAB 软件对电流环和转速环的设计举例进行了仿真，通过比较说明了直流调速系统的特性。 关键字：转速负反馈动态性能 ABSTRAC The design speed negative feedback is single closed-loop dc speed regulating system, the current speed regulation system is divided into ac speed regulation and dc speed control system, due to the wide scope of speed control of dc speed regulating system, small static rate, good stability and has a good dynamic performance, so in a long time, almost all high performance speed control system using dc speed regulating system, in order to improve the dynamic and static performance of dc speed regulating system, usually adopts closed loop control system, the control of motor speed index requirements is not high, the single closed loop system, according to the feedback in different ways can be divided into the speed feedback, current feedback, voltage feedback, etc.In a single closed-loop system, speed closed-loop used more negative feedback https://www.360docs.net/doc/a12614688.html,ing MATLAB software in your design, for example, the design of current loop and speed loop are simulated, through comparing the characteristics of the dc speed control syste KEYWORDS:SPEED BACK MATLAB D 单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真 学院： 姓名： 学号： 时间： 目录 一、课题要求.............................................................................................................................. - 1 - 1．设计题目........................................................................................................................ - 1 - 2．设计内容........................................................................................................................ - 1 - 3．设计要求........................................................................................................................ - 1 - 4 . 控制对象参数................................................................................................................ - 1 - 二、设计方案.............................................................................................................................. - 2 - 1、概述................................................................................................................................ - 2 - 2、电压负反馈直流调速系统的原理................................................................................ - 2 - 三、参数计算.............................................................................................................................. - 3 - 四、单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型.......................................................................... - 4 - 1. 单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型的建立......................................................... - 4 - 2.开环带扰动无电压负反馈调速系统的仿真结果........................................................... - 5 - 3. 单闭环不带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果..................................................... - 5 - 4. 单闭环带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果......................................................... - 6 - 五、实训心得：.......................................................................................................................... - 8 - 班级：10电气工程及其自动化三班 姓名: 学号: 题目: 带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统 要求: 1.利用所学知识设计带电流截至负反馈的转速单闭环直流 调速系统；（10%） 2.设计过程中详细说明系统组成,单闭环直流调速系统的调 试方法和电流截至负反馈的整定；（10%） 3.使用MATLAB软件编写调试程序,分析调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性；（30%） 4.要有详细原理说明和设计过程，方案以WORD文档的形式给出（30%） 5.课程总结,总结该课程的主要内容与相关实际应用。(20%) 作业成绩: 摘要 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的在对调速精度要求不高的，大功率容量的电机中的应用是非常广泛的，它具有控制简单方便，调速性能较好，设备成本低等的优点。本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较及其确定，主电路设计；控制电路设计；绘制原系统的动态结构图；绘制校正后系统的动态结构图；应用MATLAB软件对带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统进行仿真，完善系统。 关键词：直流电机电流截止负反馈主电路控制电路 摘要 (1) 一、设计方案目的和意义 (3) 1.1设计的确定 (3) 1.2课程设计的目的和意义 (3) 二、课程设计内容 (4) 2.1设计要求 (4) 2.2设计主要内容 (4) 三、主电路设计 (4) 四、控制电路的设计 (6) 五、Matlab仿真及分析 (9) 5.1、matlab仿真图 (9) 5.2、仿真图分析 (14) 六、总结 (15) 题目: 带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统 一、设计方案目的和意义 1.1设计的确定 控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。但在闭环式必选设置放大器。如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。普通闭环直流调速系统及其存在的起动的冲击电流---直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利的问题。电流截止负反馈的作用是在电动机发生超载或堵转的时候电流截止负反馈和给定信号相比较抵消。使电动机处于停止运行状态，以保护电机 1.2课程设计的目的和意义 通过本次课程设计了解单闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及其各主要单元部件的原理。掌握晶闸管直流调速系统的一般调速过程。认识闭环反馈控制系统的基本特性。掌握交、直流电机的基本结构、原理、运行特性。掌握交、直流电动机的机械特性及起动、调速、制 学号XXXXXXX 《电力拖动自动控制系统》 课程设计 （2008级本科） 题目：单闭环转速负反馈直流调速系统 系（部）院: 物理与机电工程学院 专业: 电气工程及其自动化 作者姓名： X X X 指导教师： X X X 职称： X X 完成日期： 2011 年 XX 月 XX 日 课程设计任务书 学生姓名XXX 学号XXXXXX 专业方向电气工程及其自动化班级XXX 题目名称单闭环转速负反馈直流调速系统 一、设计内容及技术要求： 设计一个单闭环转速负反馈直流调速系统； 1.使用简易的晶闸管整流桥V—M方式； 2.使用同步六脉冲触发器控制晶闸管整流桥； 3.形成的冲击电流较小； 4能在MATLAB/simulink平台上建立模型； 5.能够正确的调整系统各个模块的参数使之兼容； 6.能够有较好的仿真波形； 二、课程设计说明书撰写要求： 1.选用中小容量的电动机及其外围电路完成相应的功能。 2.用MATLAB/simulink实现软启动的功能。 3.给出设计思路、画出各程序适当的流程图。 4.给出所有参数确定的原因。 5.完成设计说明书（包括封面、目录、设计任务书、设计思路、硬件设计图、 程序流程框图、程序清单、所用器件型号、总结体会、参考文献）。 三、设计进度 第一周讨论论文题目 星期一上午查资料 星期一下午查找分析资料，确定各程序模块的功能 星期二至星期五 第二周 星期一至星期二完成硬件设计，算法流程图及建立模型 星期三至星期四完成设计，进行，调试，仿真并分析合理性 星期五答辩 指导教师签字： 目录 一、系统原理 (1) 二、系统仿真......................................... (2) 2.1系统的建模和模型仿真参数设置 (2) 2.1.1 6脉冲同步触发器子系统构建............................. (2) 2.1.2 主系统的建模和参数设置...................... . (4) 三、调试结果................................................ .. (14) 3.1示波器波形................................................ (14) 3.2比较波形................................................ .. (15) 四、总结 (17) 参考文献 (18) 电力拖动自动控制系统课程设计成绩评定表 (19) 单闭环控制系统设计及仿真 班级电信2014 姓名张庆迎 学号142081100079 摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统 一、单闭环直流调速系统的工作原理 1、单闭环直流调速系统的介绍 单闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。 2、双闭环直流调速系统的介绍 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图1—1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称 直流调速系统仿真 姓名：朱龙胜 班级：电气1102 学号：11291065 日期： 2014年6月15日 指导老师：郭希铮 北京交通大学 直流调速系统仿真 ——计算机仿真技术大作业 一、系统建模 永磁直流电机参数如下：电枢电阻0.6Ω，电枢电感5mH，电动势系数0.2V/rpm，转动惯量0.003kg?m2。仿真中其余电机参数设置为0。 电机负载情况如下： 0~1.5s 电机空载，负载转矩为0 1.5s~3s 电机负载，负载转矩为10N?m 将直流电机类型设置为永磁直流电动机 Figure 1将直流电机类型设置为永磁直流电动机 Figure 2电枢电阻0.6Ω，电枢电感5mH，电动势系数0.2V/rpm，转动惯量0.003kg?m2。仿真中其余电机参数设置为0 Figure 3 设置电机在1.5s 带负载，负载转矩为10N ?m 二、 电机开环特性 (一) 、模型建立 电机电枢联接300V 直流电源。画出转速n 的波形，根据仿真结果求出空载和负载时的转速n 以及静差率s 。 静差率s =n nnnnnn ?n nnnnnn n nnnnnn ×100% 建立仿真模型如下图 A- dc TL DC Machine Step Speed Continuo wergui speed To Workspac To Workspace (二) 、仿真结果 Figure 5 (a)开环仿真转速n 波形图;(b)开环仿真静差率s 波形图 (三) 、计算分析： 空载时转速n n =1500rpm ，静差率为0，负载时转速n 2=1350rpm 负载载时静差率：s 2= n n ?n 2n n ×100%=10% 三、 转速闭环控制 (一) 、模型建立 为了改善电机调速性能，对该直流电机加入转速闭环控制。将电机电枢连接至受控电压源。转速控制器使用比例-积分控制器，转速指令为1000rpm 。 调节控制器的比例和积分环节参数以实现较好的动、静态性能。 画出转速n 的波形，测量超调量、动态响应时间。 由R n =0.6Ω, L n =0.005H,J =0.003kg ?m 2,C e =0.2V/rpm ,得 电枢电阻R a =0.6Ω，电枢电路时间常数T l =0.00833，电机机械时间常数T m =0.045，电势系数Ce =0.2。 可以建立如下模型 time/s S p e e d /r p m Speed time/s S l i p Slip (a) (b) 运动控制系统仿真 专业：电气工程及其自动化班级：041141 学号：04114067 姓名：何爽 1. 转速反馈控制直流调速系统 各环节参数如下： 直流电动机：额定电压U N=220V，额定电流I dN=55A，额定转速n N=1000r/min，电动机电动势系数C e=0.192Vmin/r 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44，滞后时间常数Ts=0.00167s 电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s 转速反馈系数α=0.01Vmin/r 对应额定转速时的给点电压U n*=10V 1、单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真 PI控制器在于被控对象串联时，相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能，而增加得负实部零点则可减小系统的阻尼程度。 单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真模型： 改变PI调节器的参数，单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真结果如下： Kp=0.25， 1/τ=3时 转速电流 Kp=0.56， 1/τ=11.43时 转速电流 Kp=0.8， 1/τ=15时 转速电流 分析：若调节器参数是：Kp=0.25， 1/τ=3，系统转速的响应无超调，但调节时间很长；若是：Kp=0.8， 1/τ=15，系统转速的响应的超调较大，但快速性较好。和比例调节器相比，比例积分调节器能很好的消除静差。 以下改变Kp，而 1/τ保持不变，仿真结果如下： 基于MATLAB的单闭环转速负反馈直流调速系统仿真 一、系统原理 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。 在本装置中，转速单闭环实验是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“速度调节器”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U Ct，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，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。 图1-1 转速单闭环系统原理图 二、系统仿真 1、系统的建模和模型仿真参数设置 （1）6脉冲同步触发器子系统构建 图2-1 6脉冲同步触发器 6脉冲同步触发器模型构建是通过SinPowerSystems——Extra Library——Control Blocks——Synchronized 6-Pulse Generator来实现。 参数设置如下： 三相线电压模型构建是通过SinPowerSystems——Measurements——Voltage Measurement来实现。 三个连接端口在SinPowerSystems——Elements——Connection Port 在Simulink——Sources——In1找出U ct和In2 Uct的端口数改为5 转速负反馈直流调速系统设计 1 设计条件及要求 1.1初始条件： 直流电动机: 355N P W =, 220N U V = , 2.1d I A = , 1500/min N n r = , 5a R =Ω 电枢回路总电阻:17R =Ω 飞轮惯量：220.92GD N m =? 单相桥式整流：40s K = 其他参数：*10nm U V = 要求达到的性能指标:10D =, 5%S ≤ 单相220V 供电，采用电势反馈的晶闸管直流调速系统 1.2要求完成的主要任务: 1． 系统原理图设计； 2． 调节器设计与调节； 3． 电路，控制电路，保护电路设计； 4． 统稳态图，动态图绘制； 5． 电路选择计算，校验； 2 原理阐述 2.1转速闭环控制系统 反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都唯命是从。 根据本设计要求，设计的系统为转速负反馈单闭环直流调速系统，其中转速为负反馈量。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。其原理图如下： 图2-1 转速负反馈单闭环直流调速系统原理图 在电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 n U ，与给定电压* n U 相比较后，得到转速偏转电压n U ，经过放大器A ，产生电力电子变换器UPE 所需的控制电压C U ，用以控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。 转速负反馈单闭环直流调速系统的静特性 转速负反馈单闭环调速系统的静特性为一直线，其特性硬度较开环系统机械特性为大。硬度的大小取决于闭环系统的结构及有关参数的选取。 为了分析方便起见，对系统作如下假定： (1)忽略系统中各种非线性因素，假定系统为纯线性系统； (2)假定晶闸管变流器提供的电流是连续的； (3)忽略电位器的等效内阻。 在以上的假定下 , 转速负反馈系统中各环节的静态(稳态)方程式如下： 电压比较环节 fn gd U U U -=? 放大器 U K U p c ?= 晶闸管变流器 c v d U K U =0 晶闸管—电动机系统的开环机械特性φ C R R I U n n d )(0+-= 测速发电机 n K U fn fn ?= 式中 c U ——触发器的移相控制电压 0d U ——晶闸管变流器的空载电压 fn K ——测速发电机的转速反馈系数 消去上式中的中间变量U ?，c U ，0d U ，fn U ，并经过整理后，即可求得转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程为 b b d n gd v p n n K C I R R K C U K K n ?-=++-+=0) 1()()1(φφ （1.2） 式中 φ C K K K K fn v p /=——闭环系统开环放大倍数 由上式可见，闭环系统的静特性方程是斜率为)1()(K C I R R d n ++φ、截距为) 1(K C U K K gd v p +φ的直线方程，当gd U 变化时，截距改变，但斜率恒定。故改变给定电压gd U 进行调速时，静特性将平行移动。当断开反馈回路，系统为开环工作状态是，其机械特性方程应为 一、 填空题(每空2分，共40分) 1．调速系统的稳态性能指标主要包括： 1） ；2） 。 2．在直流脉宽调速系统中，PWM 装置的延迟时间为T s =0.1ms ,而且知道触发电路控制电压在0~10V 范围内变化时，PWM 装置输出的平均电压变化范围是0~220V ，则PWM 装置的传递函数W s (s )≈ 。 3.某调速系统的调速范围D=10，静差率S=5%，额定负载最低转速为135转/分，那么该系统的额定负载最高转速是 ，系统允许的静态速降是 。 4．脉宽调速系统的开环额定速降min /175=?op n ,为保证闭环系统的额定静态速降不大于r/min 5，那么该闭环系统的开环放大系数K 应满足关系式： 。 5.系统的精度依赖于 和 检测的精度。 6．用积分控制的调速系统是 静差系统，用比例控制的系统是 静差系统。 7．调速系统的动态性能指标主要包括：1） ；2） 。 8. 在直流双闭环系统中，典型I 系统一般用于 环设计，典型II 系统一般用于 环设计。 9．典I 系统的开环传递函数为) 1004.0(135)(+=s s s W ，则系统的开环截止频率=c ω ；典Ⅱ系统的开环传递函数为) 1004.0(101.0135)(2++=s s s s W ）（，则系统的开环截止频率=c ω 。 10. 在微机数字调速系统中， PI 调节器可以用 或 算法来实现。 11.在无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统中，正、反组晶闸管装置的切换需要检测两个信号，一个是 ， 一个是 。 二、判断题( 正确打√号，错误打×。每题2分，共20分) 1．调速系统的静差率指标应以最高速时能达到的数值为准。（ ） 2．一个调速系统的调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。（ ） 3．闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。（ ） 4．反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。（ ） 5. 一个闭环系统的稳定性可以根据该系统的开环传递函数所确定的伯德图来判定。（ ） 6. 在f r βα=的有环流调速系统中存在直流平均环流（ ） 7. 一般来说，在动态性能中典I 系统可以在跟随性能上做到超调小，但抗扰性能稍差；而典Ⅱ系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。（ ） 8. 在转速、电流双闭环直流调速系统中，转速环的动态响应速度要比电流环的快。（ ） 9. 微机直流双闭环调速系统的转速和电流计算都是在主程序中完成的。（ ） 10.在逻辑无环流可逆V-M 系统中，需要设置平波电抗器。（ ） 三、画图题(共5分) 画出不可逆三相桥式晶闸管-电动机直流调速系统的主电路原理图。 四、简答题 双闭环直流调速系统中电流调节器的作用是什么？(共5分) 五、综合计算题（共30分） 1．已知某控制对象的传递函数) 1005.0)(125.0(18)(++=s s s W obj ，要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量%5≤σ（5.0=KT ），试对该系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。（5分） 考试内容及要求 第一章转速负反馈单闭环直流调速系统 1．反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析 （1）调速系统的转速控制要求及两个稳态指标 （2）晶闸管－电动机系统（V-M系统）的开环机械特性 （3）转速负反馈单闭环有静差调速系统的组成、稳态结构图及其静特性 （4）开环机械特性与闭环静特性的关系 （5）反馈控制规律（闭环系统的基本性质）和系统稳态抗扰性能分析 （6）转速负反馈单闭环调速系统的稳态参数计算 2．单闭环调速系统的动态结构图和动态抗扰性能分析 3．无静差调速系统 （1）系统无静差的实现方法 （2）无静差调速系统的组成及其特点 第二章转速、电流双闭环调速系统和调节器的工程设计方法 1．转速、电流双闭环调速系统 （1）双闭环调速系统的组成、稳态结构图及其静特性 （2）双闭环调速系统的稳态工作点及其稳态参数计算 （3）双闭环调速系统的动态结构图及其动态性能分析 2．调节器的工程设计方法 （1）典型I、II型系统的结构、特点及其性能指标与可调参数的关系 （2）系统结构（如小惯性和大惯性环节）的近似处理 （3）调节器校正及其参数选择 （4）利用实际系统的动态结构图，根据典型I、II型系统的结构、特点和性能，选择调节器的类型及其参数 《电力拖动自控系统》综合复习资料 一、填空题，占20 1、晶闸管—电动机系统中，抑制电流脉动可采取的措施是：、 和。 2、位置随动系统一般由五个部分组成，这五个部分分别是：位置传感器、电压比较放大器、、和减速器与负载。 3、可逆V—M系统存在环流的问题，环流可以分为静态环流和动态环流两种，静态环流由可分为和两种。 4、双闭环调速系统中引入转速微分负反馈的作用是。 5、转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程有、和三个特点。 6、直流调速系统常用的可控直流电源有、 和。 7、双闭环直流调速系统中，电流调节器主要对产生的扰动起到抵抗作用。 8、调速系统转速控制的要求主要集中在三个方面，具体为、和。 9、直流调速系统的主要形式是晶闸管－电动机调速系统，简称为系统。 10、在闭环调速系统中，常优先考虑串联校正方案。用运算放大器实现的串联校正装置可有、和三类调节器。 11、常用的H型PWM变换器按控制方式分为、和等。 12、在闭环控制系统中，常优先考虑串联校正方案。由调节器可构成的超前校正，提高稳定裕度和改善快速性能；由调节器构成的滞后校正，可以保证系统的稳态精度；用调节器构成滞后－超前校正，兼具两者的优点。 13、电动机的“可逆运行”包括两种情况：一种是电动机既做正转运行又做反转运行，称为；另一种是电动机运行时，工作在电动状态，停车时，电磁转矩反向，电机工作在回馈制动状态，称为。 目录 一、摘要 (2) 二、前言 (2) 2.1设计的目的 (3) 2.2设计的目的 (3) 2.3设计主要解决的问题 (3) 三、方案的比较论证 (4) 3.1总体方案的论证比较 (4) 3.2主电路方案的论证比较 (6) 3.3控制电路的论证方法 (7) 四、设计正文 (9) 4.1主电路设计 (10) 4.2控制电路方案设计 (10) 4.3电路图总体设计 (12) 五、设计心得和体会 (12) 六、参考文献 (14) 题目：转速单闭环V-M不可逆直流调速系统设计 一、摘要 摘要：本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较及其确定，主电路设 计控制电路等。 为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。 关键词：单闭环；晶闸管；转速调节器 二、前言 2.1设计的目的 1）了解单闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及其各主要单元部件的原理。 2）掌握晶闸管直流调速系统的一般调速过程。 3）认识闭环反馈控制系统的基本特性。 4）掌握直流电机的基本结构、原理、运行特性。 5）掌握直流电动机的机械特性及起动、调速、制动、反转的基本理论和计算方法。 6）学会分析电力拖动与自动控制系统中电动机的机械特性，各种运行状态及控制特性，掌握它们的基本原理和相应计算方法。 2.2设计的意义 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。 2.3设计主要解决的问题 1）主回路方案确定：包括主电路结构选择、主电路元器件的选型计算及保护方式和电路的选择和设计及驱动电路的设计。 2）控制回路选择：给定器、调节器、触发器、稳压电源、电流截止环节、调节器及限幅电路，电流、电压检测环节、同步变压器接线方式 3）整流变压器计算：变压器原副边电压、电流、容量以及连接组别选择 4）晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择 5）系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护选择计算 6）平波电抗器选择计算 7）电流调节器ACR的计算、转速调节器ASR的计算、动态性能指标计算 8）用visio软件画出单闭环调速系统电气电路图及画出动态框图和伯德图。 三、方案的比较论证 3.1总体方案的论证比较 自控单闭环转速负反馈的设计 摘要 随着电力电子器件、计算机技术和控制理论的迅速发展，电气传动自动化技术己广泛应用于各个工程领域。目前，功率集成电路己将主电路器件、控制驱动、保护等集成一体，为电气传动自动控制系统机电一体化开辟了广阔的前景，数字PWM技术、微机控制及各种新型控制技术。此设计为直流单闭环不可逆调速系统的设计，直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机，由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此，在工业领域仍占有一席之地。课程设计的重点是系统识别模式化，用传递函数的时，频域分析方法来分析系统的性能指标，可以得出直流电动机具有良好的调速能力。 关键词：控制系统；传递函数；频率；幅值；相角； 引言 如果系统设计要求满足的性能指标属频域特征量，则通过采用频域校正方法。在开环系统对数频率特性基础上，满足稳态误差、开环系统截止频率和相角裕度等要求出发点，进行串联矫正的方法。在伯德图上虽然不能严格定量的给出系统的动态性能，但却能方便地根据频域指标确定校正装置的形式和参数，特别是对校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其它方法更方便。串联滞后校正-超前校正兼有滞后校正和超前校正的优点，当待校正系统不稳定，且要求校正后系统的响应速度、相角裕度和稳态精度要求较高时，应采用串联滞后-超前校正。其基本原理是利用滞后-超前网络的超前部分来增大系统的相角裕度，同时利用滞后部分来改善系统的稳态性能。 1 课程设计内容及要求 1.1设计内容 已知单位负反馈系统的开环传递函数为： ()(0.11)(0.011) k K G s s s = ++ 用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性指标： 1） 在单位斜坡信号t t r =)(作用下，系统的速度误差系数1100-=s K v ； 1≤ω时，()sin r t t ω=谐波输入的稳态误差70 1≤ss e ； 2） 系统校正后，相位裕量：045)(>c ωγ；在幅值穿越频率c ω之前不允许有 60/dB -十倍频； 3） 对Hz 60的扰动信号，输出衰减到250/1。 1.2设计要求 1) 转速负反馈的闭环调速系统中各环节的稳态关系 2) 详细设计（包括的图形有：串联校正结构图，校正前系统的Bode 图，校正装置 的Bode 图，校正后系统的Bode 图）； 3) TLAB 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）； 4) 转速负反馈调速系统的动态分析 5) 了解系统稳定条件 2级电气工程及其自动化专业电力拖动控制系统课程设计 单闭环电压负反馈调速系统设计 姓名： 院别：工学院 专业：电气工程及其自动化 学号： 指导教师： 2014年12月 工学院课程设计评审表 《电力拖动控制系统课程设计》课程设计任务书 （1）掌握单闭环电压负反馈调速系统的设计方法； （2）了解电压负反馈单闭环调速系统工作原理及其组成； （3）加深了解电压负反馈在调速系统中的应用； （4）了解MATLAB在电气工程与自动化专业中的应用； （5）学习分析、设计、仿真电路的一般步骤； （6）通过此设计培养实际动手能力和解决问题的能力； 单闭环电压负反馈调速系统设计说明书 前言 电力拖动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），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。 本设计报告主要讲述单闭环电压负反馈调速系统相关内容。电压负反馈调速是比转速负反馈调速更简单和容易实现的一种调速方式。在电动机转速不很低时,电枢电阻压降比电枢端电压要小得多,因而可以认为直流电动机的反电动势与端电压近似相等或者说电机转速近似与端电压成正比。电压负反馈控制系统与转速负反馈控制系统相比，调速指标低，可采用电流补偿（IR）的办法解决，这样可使系统简单，指标也可达到满意的程度。 首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，最后给出参考资料和设计体会。 由于设计者知识掌握的深度和广度有限，本设计尚有不完善的地方，敬请老师、同学批评指正！ 目录 第1章设计任务书 (1) 第2章单闭环电压负反馈调速系统的总体设计 (2) 第3章主电路设计 (4) 第4章MATLAB/SIMULINK仿真 (7) 第5章总结 (8) 第6章实习心得体会 (8) 参考文献 附录1 MATLAB/SIMULINK仿真图及结果 附录2 单闭环电压反馈调速系统电气原理总图 电压负反馈单闭环系统 05电车1班 20057955 徐剑飞 许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。为了分析控制原理在直流调速系统中的应用，本文对电压负反馈单闭环系统进行了仿真实验。 单闭环调速系统有多种反馈方式，如电压负反馈、转速负反馈等。电压负反馈在组成和实现上都比较简单实用，本次仿真实验即采用电压负反馈调速系统。该系统由给定信号、电压调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、电压反馈环节等部分组成。其仿真模型如图1所示。电压调节器选用PI调节器，取自电力系统模块库下的附加离散控制模块组。 如图所示为电压负反馈单闭环系统仿真模型图，其中，输入电压为220V，50HZ；给定输入为30，负载给定为50；其它参数设置:PI调节器相关参数为K p=10,K i=400,上下限为[130 -130]，电压反馈系数为0.05。仿真算法采用ode23t。仿真结果如图6所示。闭环调速系统由于增加了反馈环节，其机械特性较开环系统硬得多，负载扰动引起的稳态速降减小为开环系统的1/（1+K）。图8即为电压负反馈调速系统在2.7 秒突加负载（给定信号加倍）时的转速降落曲线，从图上可以看出，电压负反馈调速系统的稳态速降较小，转速变化较小。 图1 电压负反馈单闭环系统仿真模型图 图2 同步脉冲触发器和封装后的子系统模块 电机参数设置如下图所示，系统的需要，选用30HP 240V 1750RPM Field:300V的电机进行模拟实验，起始转速设置为0。 图3 所用直流电动机参数设置 图4 PI调节器参数设置图自动控制系统习题
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