原版单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统的设计与仿真
单回路的直流调速系统的设计和仿真
内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性
能不满足要求，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，可利用积分调节器代替比例调节器。
通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。
关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差
The design and simulation of
Single loop dc speed control system
Abstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator.
Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation.
Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset
目录
1绪论 (1)
1.1直流调速系统概述 (1)
1.2 MATLAB简介 (1)
2 单闭环控制的直流调速系统简介 (2)
2.1 V—M系统简介 (2)
2.2转速控制闭环调速系统的调速指标 (2)
2.3闭环调速系统的组成及静特性 (3)
2.4反馈控制规律 (4)
2.5主要部件 (5)
2.5.1 比例放大器 (5)
2.5.2 比例积分放大器 (5)
2.5.3额定励磁下直流电动机 (7)
2.6稳定条件 (8)
2.7稳态抗扰误差分析 (8)
3 单闭环直流调速系统的设计及仿真 (10)
3.1参数设计及计算 (10)
3.1.1参数给出 (10)
3.1.2 参数计算 (10)
3.2有静差调速系统 (11)
3.2.1有静差调速系统的仿真模型 (11)
3.2.2主要元件的参数设置 (12)
3.2.3仿真结果及分析 (12)
3.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真 (13)
3.3无静差调速系统 (15)
3.3.1 PI串联校正的设计 (15)
3.3.2无静差调速系统的仿真模型 (17)
3.3.3主要元件的参数设置 (18)
3.3.4仿真结果及分析 (18)
3.4有静差调速系统和无静差调速系统的动态分析设计 (19)
3.4.1有静差调速系统的仿真模型 (19)
3.4.2参数设置 (19)
3.4.3仿真结果及分析 (19)
参考文献 (23)
致谢 (24)
1绪论
1.1直流调速系统概述
从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。
直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。
1.2 MATLAB简介
在1980年前后，美国的Cleve博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。
MATLABSGI由美国MathWorks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。本文通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较开环系统和闭环系统的差别，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。
2 单闭环控制的直流调速系统简介
2.1 V —M 系统简介
晶闸管—电动机调速系统（简称V —M 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1 V —M 系统
2.2转速控制闭环调速系统的调速指标
1．调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速错误！未找到引用源。m ax n 和错误！未找到引用源。m in n 最低转速之比叫做调速范围，用字母D 表示，即
min
max n n D = 其中错误！未找到引用源。m ax n 和错误！未找到引用源。m in n 一般都指电机额定负载时的转速。
2．静差率 当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错误！未找到引用源。nom n ?，与理想空载转速错误！未找到引用源。0n 之比，称作静差率s ，即
n n s nom ?= 静差率用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。
调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
3．调速范围、静差率和额定速降的关系
以电动机的额定转速nom n 为最高转速，若带额定负载时的转速降落为nom n ?，则该系统的静差率应该是最低速时的静差，即
min
0n n s nom ?= 于是错误！未找到引用源。s n s n s n n n n nom nom nom nom o ?-=?-?=
?-=)1(m in m in ，而调速范围为
min
min max n n n n D nom == 将上面的式代入m in n ，得
)
1(s n s n D nom nom -?= 上式即为调速范围、静差和额定速降之间所应满足的关系。对于一个调速系统，它的特性硬度或错误！未找到引用源。nom n ?值是一定的，如果对静差率的要求越严，也就是s 越小，系统能够允许的调速范围也越小。
2.3闭环调速系统的组成及静特性
转速反馈控制的闭环调速系统，其原理如图。
图2 采用转速负反馈的闭环调速系统
1．忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出都是线性的；
2．假定只工作在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。
电压比较环节：错误！未找到引用源。n n
n U U U -=?* 放大器：错误！未找到引用源。n P c K U U ?=
晶闸管整流与触发装置：错误！未找到引用源。c s d U K U =0
V —M 系统开环机械特性：错误！未找到引用源。e
d d C R I U n -=
0 测速发电机：错误！未找到引用源。n U tg α=
错误！未找到引用源。——放大器的电压放大系数；
错误！未找到引用源。——晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数； 错误！未找到引用源。α——测速反馈系数，单位为Vmin/r;
因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式 )1()1(K K /1(**K C R I K C U C K K C R I U K K n e d e n
s p e s p e d n s p +-+=+-=）α 式中错误！未找到引用源。e s p C K K K /α=为闭环系统的开环放大系数，这
里是以错误！未找到引用源。U n e
/C 1=作为电 动机环节的放大系数的。
静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。 根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结构图，如图3所示：
图3 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图 2.4反馈控制规律
从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数K 值对系统的稳定性影响很大，K 越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。总之K 越大，稳态性能就越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例
放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为
)
1(K C RI n e d cl +=? 只有K =∞才能使错误！未找到引用源。0=?cl n ，而这是不可能的。
2.5主要部件
2.5.1 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4，
ex U U in 和为放大器的输入和输出电压，bal R 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
1R R U U K in ex p ==
图4 P 调节器原理图 图5 P 调节器输出特性
2.5.2 比例积分放大器
在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高、中、低三个频段，频段的界限是大致的。图6为一种典型伯德图的对数幅频特性。
一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI 调节器。采用运算放大器的PI 调节器如图7。
图6 典型控制系统的伯德图 图7 比例积分（PI ）调节器
PI 调节器的传递函数为
s
s K s K s U s U s W pi pi in cx pi τττ11)()()(+=+== 错误！未找到引用源。01R R K pi =
——PI 调节器比例放大部分的放大系统； 错误！未找到引用源。C R 0=τ——PI 调节器的积分时间常数。
此传递函数也可以写成如下的形式
s
s K s s s W pi pi 11111)(ττττ+=+= 式中错误！未找到引用源。111C R K pi ==ττ—PI 调节器的超前时间常数。
反映系统性能的伯德图特征有以下四个方面：1.中频段以 -20dB/dec 的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好；2.截止频率越高，则系统的快速性越好；3.频段的斜率陡、增益高，表示系统的稳态精度好（即静差率小，调速范围宽）；4.频段衰减得越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声的能力越强。
用来衡量最小相位系统稳定程度的指标是相角裕度γ和以分贝表示的幅值裕度Lg 。稳定裕度能间接的反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大意味着振荡弱、超调小。
在零初始状态和阶跃输入下，PI 调节器输出电压的时间特性如图8：
图8 阶跃输入时PI 调节器的输出特性 图9 PI 校正装置在原始系统上 添加部分的对数幅频特性 将P 调节器换成PI 调节器，在原始系统上新添加部分的传递函数为
s
K s K s W p pi pi p ττ1)(K 1+= 其对数幅频特性如图9所示。
由图8可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，
因为快速性被压低了，换来稳定性的保证。
作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。
2.5.3额定励磁下直流电动机 错误！未找到引用源。E dt
dI L RI d d d ++=0U （主电路，假定电流连续） 错误！未找到引用源。n C E e =（额定励磁下的感应电动势） 错误！未找到引用源。dt
dn GD T T L e ?=-3752（牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦） 错误！未找到引用源。d m e I C T =（额定励磁下的电磁转矩）
式中 错误！未找到引用源。L T —包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm ；
错误！未找到引用源。2GD —电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为错误！未找到引用源。2Nm ； 错误！未找到引用源。e m C C π30=
——电动机额定励磁下的转矩电流比，单
位为Nm/A ；
定义下列时间常数： 错误！未找到引用源。R L T l =——电枢回路电磁时间常数，单位为s ； 错误！未找到引用源。m
e m C C GD T 3752
——电力拖动系统机电时间常数，单位为；
得电压与电流间的传递函数
1
/1)()()(I s 0+=-s T R s E s U s d d 电流与电动势间的传递函数为
s
T R s I s I s E m dl d =-)()()( 额定励磁下直流电动机的动态结构图如下：
图10 额定励磁下直流电动机的动态结构图
2.6稳定条件
反馈控制闭环调速系统的特征方程为
0111)(13=++++++++s K
T T K T T T s K T T T s m s l m s l m 稳定条件为
0111)(T >+-++?++K
T T T K T T K T T s l m s m s l m 整理后得
s
l s s l m T T T T T T 2)(K ++< 上式右边称作系统的临界放大系统，K 值超出此值，系统就不稳定。根据上面的分析可知，可能出现系统的临界放大系数都比系统稳态时的比放大系数小，不能同时满足稳态性能指标，又保证稳定和稳定裕度。为此必须再设计合适的校正装置，以改造系统，才能达到要求。
2.7稳态抗扰误差分析
1.比例控制时的稳态抗扰误差
采用比例调节器的闭环控制有静差调速系统的动态结构图如图11。当错误！
未找到引用源。0*=n
U 时，只扰动输入量错误！未找到引用源。dl I ，这时的输出量即为负载扰动引起的转速偏差Δn ，可将动态结构图改画的形式如图12。
图11采用比例调节器的闭环有静差 图12 给定为0时采用比例调节器的
调速系统结构图的一般情况 闭环有静差调速系统结构图
负载扰动引起的稳态速差：
)1()1)(1()1)(1()
(lim )(lim 200K C R I K s T s T T s T s T s T C R s I s n s n e dl m l m s l s e dl s s +=++++++-=?=?→→ 这和静特性分析的结果是完全一致的。
2.积分控制时的稳态抗扰误差
将图12比例调节器换成积分调节器如图13
突加负载时错误！未找到引用源。s
I s I dl dl =)(，于是 e s m l m s s l s e dl C K s T s T T T s s T s T C R I s n /)1)(1()1)(1()(2αττ++++++?-
=? 负载扰动引起的稳态速差为
0/)1)(1()1)(1(lim )(lim )(200=++++++?-
=?=?→→e s m l m s l s e dl s s C K s T s T T s T s s T s T C R I s n s s n αττ 可见，积分控制的调速系统是无静差的。
3.比例积分控制时的稳态抗扰误差
用比例积分调节器控制的闭环调速系统的动态结构如图14。
图13 给定为0时采用积分调节器图 图14 给定为0时采用比例积分调节器
的闭环调速系统结构图 的闭环调速系统工程结构图 则稳态速差为
0)1()1)(1()1)(1(lim )(lim )(200=+++++++?-
=?=?→→s K C K s T s T T s T s s T s T s C R I s n s s n pi e s m l m s l s e dl s s ταττ 因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。
4.稳态抗扰误差与系统结构的关系
上述分析表明，就稳态抗扰性能来说，比例控制系统有静差，而积分控制和
比例积分控制系统都没有静差。显然，只要调节器中有积分成份，系统就是无静差的。只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，则外扰动便不会引起稳态误差。
3 单闭环直流调速系统的设计及仿真
3.1参数设计及计算
3.1.1参数给出
1.电动机：额定数据为10kW,220V,52A,1460r/min,电枢电阻错误！未找到引用源。a R =0.5Ω，飞轮力矩GD 2=10Nm 2。
2.晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y 联结，二次电压错误！未找到引用源。2t E =230V ，触发整流环节的放大系数错误！未找到引用源。s K =40。
3.V —M 系统主电路总电阻R=1.0Ω
4.测速发电机：永磁式，ZYS231/110型；
额定数据为23.1W,110V,0.18A,1800r/min 。
5.生产机械要求调速范围D=10，静差率s ≤5%.
3.1.2 参数计算
根据以上数据和稳态要求计算参数如下：
1.为了满足D=10，s ≤5%，额定负载时调速系统的稳态速降为
min /68.7min /)
05.01(1005.01460)1(r r s D s n n nom cl =-??≤-=? 2.根据错误！未找到引用源。cl n ?，求出系统的开环放大系数
1.6011.61168
.71329.02.1521=-=-??≥-?=cl e nom n C R I K 式
中错误！未找到引用源。 r V r V n R I U C nom a nom nom e min/1329.0min
/1460)5.052220(?=?-=-=
3.计算测速反馈环节的放大系数和参数
测速反馈系数α包含测速发电机的电动势转速比错误！未找到引用源。
etg C 和电位器的分压系数错误！未找到引用源。2α，即
α=2αetg C 错误！未找到引用源。
根据测速发电机数据，
r V r V etg min/0611.0min
/1800110C ?== 试取错误！未找到引用源。2.02=α，如测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速成1460r/min 下，反馈电压为
V r
V r U n 84.172.0min 0611.0min 1460=???= 相应的最大给定电压约需用18V 。若直流稳压电源为±20V ，可以满足需要，因此所取的值是合适的。于是，测速反馈系数为
r V r
V C etg min/.01222.0min 0611.02.02=??==αα 电位器的选择方法如下：考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的确20%，这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是
Ω=Ω??=≈247818
.02.014600611.0%202nomtg nom etg RP I n C R 此时错误！未找到引用源。2RP 所消耗的功率为
W I n C nomtg nom etg 12.318.0%2014600611.0%20=???=?
为了使电位器温度不是很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选错误！未找到引用源。2RP 为10W ，3k Ω的可调电位器。
4.计算运算放大器的放大系数和参数
34.1640
01222.01329.01.60=??≥=s e p K KC K α 实取错误！未找到引用源。17=p K
按运算放大器参数，取错误！未找到引用源。Ω=K R 400
则 错误！未找到引用源。Ω=Ω?==K K R K R p 680401701
5.反馈电压
V V n U nom n 8.1701222.01460=?=?=α
3.2有静差调速系统
3.2.1有静差调速系统的仿真模型
根据系统稳态结构图(如图3),选择仿真模块：使用constant 模块作为转速给定电压，ramp 模块作为负载扰动，并用staturation 模块限幅，选择Gain 模块作为传递函数模块，sum 模块作为信号综合点，最后加上示波器。由此建立有静差调速系统的数学模型，并用MATLAB 软件对系统进行仿真（注意：在接线时，如果出现错误，提示颜色为红色）。
图15 有静差调速系统
3.2.2主要元件的参数设置
1.转速给定电压
由于触发装置GT 的控制电压是由给定电压错误！未找到引用源。*
n U 和反馈电压
n U 的差经过放大器后产生的，所以二者的差不会很大，于是取错误！未找到引
用源。V U n
18=*，即常量值（constant value ）设为18。采用斜坡函数，并加上staturation 模块作为限幅。
在电路图的Simulink 菜单选项中，选择Simulintion Parameter 中。 对仿真参数进行如下设置：Start time:0.1; stop time:2.0
3.2.3仿真结果及分析
1.Kp 的值不同时其输出特性如图16所示，a)为错误！未找到引用源。17=p K ，b ）为错误！未找到引用源。40=p K 。
(1）错误！未找到引用源。 (2）错误！未找到引用源。
图16 有静差调速系统的稳态特性
上图——转速 下图——负载电流
(1)图中17=p K 转速为1449.75r/min ，随着负载电流的增加，转速有所下降，在0.63s 时，电流达到额定值52A ，这时的转速降为1442.5r/min ，系统的转速降为Δn =1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min 。
(2)图中为错误！未找到引用源。40K =p 时系统的特性，从转速曲线可以看到，随着放大倍数的增加，系统的转速降减小，静特性的硬度增加，抗负载能力提高。
2.不同给定值下系统的输出稳态特性，如图17。
(1）为错误！未找到引用源。，转速降为?n=1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min 。
(2)为错误！未找到引用源。,转速降为?n=1433.75-1426.25r/min=7.6r/min 。
通过对比可以得出，单闭环调速系统具有很好的跟随特性。
(1）错误！未找到引用源。 V U n 18*= (2）错
误！未找到引用源。V U n 8.17*=
图17 有静差调速系统不同给定作用时的稳态输出特性
3.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真
按保证最小电流错误！未找到引用源。dnom d I I %10min =时电流连续的条件(三相桥式整流电路错误！未找到引用源。min
2693.0d I U L =)计算电枢回路电感量，由于错误！未找到引用源。V E E l 8.1323230322=== mH mH I E L d 7.1752%108.132693.0693
.0min 2
=??== 取L=18mH=0.018H
计算系统时间常数：
电枢回路电磁时间常数 s s R L T l 015.02
.1018.0=== 电力拖动机电时间常数 s s C C R GD T m e m 19.0/301329.01329.03752.1103752=????==π
失控时间常数 )(00167.0三相桥式电路s T s =
为保证系统稳定，开环放大系数应有
s
l s s l m T T T T T T K 2)(++< 代入具体数值并计算后得K<124.5,满足K>60.1，稳态精度和动态稳定性在这里不矛盾。
下面从原始系统的开环对数频率特性来分析研究闭环传递函数
)
1)(1()(2+++=s T s T T s T K s W m l m s 在一般情况下，错误！未找到引用源。l m T 4T >，因此)1(2++s T s T T m l m 项有两个负实根，令其为错误！未找到引用源。1/1T -和错误！未找到引用源。2/1T -。也就是说，可将该项分解为两个因式
)1)(1(1212++=++s T s T s T s T T m l m
于是开环传递函数变成
)
1)(1)(1()(W 21+++=s T s T s T K s s 错误！未找到引用源。s T l 015.0=，错误！未找到引用源。s T m 19.0=，错误！未找到引用源。s T s 00167.0=，在这里，错误！未找到引用源。是成立的。代入上式并分解因式，得
)1016.0)(1174.0(119.000285.0122++=++=++s s s s s T s T T m l m
根据稳态参数计算的结果，闭环系统的开环放大系数已取为
53.621329.001222
.01740
=??==e p s C K K K α
于是闭环系统的开环传递函数为
)100167.0)(1016.0)(1174.0(53
.62)(+++=s s s s W
相应的开环对数幅频及相频特性如图，其中三个转折频率分别为
1
11175.5174.0
1
1
--===s s T ω
1
1225.62016
.011
--===s s T ω
113
360000167.01
1
--===s s T ω
利用margin 命令函数
n1=[0 62.53];d1=[0.174 1];s1=tf(n1,d1);
n2=[0 1];d2=[0.016 1];s2=tf(n2,d2);
n3=[0 1];d3=[0.00167 1];s3=tf(n3,d3);
sys=s1*s2*s3;
margin(sys)
得出原始闭环调速系统的频率特性如图18：
图18 原始系统的伯德图
由图可见，相角裕度γ=12.9deg ，幅值增益裕度GM=6.14dB ，都是正值，所以闭环系统稳定。
3.3无静差调速系统
3.3.1 PI 串联校正的设计
本系统的PI 调节器设计如下。根据原始系统对数幅频和相频特性图可知：
2
121221122112log 20)(log 20log 40log 20log 20ωωωωωωωωωωωc c c K ==+= 因此 错误！未找到引用源。211ωωωK c =
代入数据，得
1119.1495.6275.553.62--=??=s s c ω
按上述方法，取错误！未找到引用源。s T K pi 174.01==τ，并使错误！未找到引用源。1225.62/1-=
从图上看出
pi p p pi K K K K L log 20/1/1log
202-=-=ττ ∴ 58.37,57.1log ,5.31log 20===pi p pi p pi p
k K dB K K dB K K
已知错误！未找到引用源。17=p K ，因此错误！未找到引用源。452.058
.3717==pi K 而 错误！未找到引用源。s s K T pi 385.0452.0174.01===
τ PI 调节器的传递函数为
s
s s W pi 385.01174.0)(+= 最后，选择PI 调节器的参数。已知错误！未找到引用源。Ω=K R 400， 则错误！未找到引用源。Ω=Ω?==K K R K R pi 08.1840452.001，取错误！未找到引用源。Ω=K R 08.181。 错误！未找到引用源。F F R C oi μμτ63.91040
385.031=?==
,取错误！未找到引用源。F C μ6.91=,
验证晶间管和整流装置的传递函数是否满足近似成一阶惯性环节的条件，这个条件是：错误！未找到引用源。s c T 31≤
ω。现在，校正后系统的截止频率错误！未找到引用源。1260-=s c ω，而
120000167.03131-=?=s s T s 显然，上述近似条件是成立的，设计有效。
根据上述分析，加上PI 校正后整个系统的开环传递函数为：
αττ?++?+?+=
1
/111)(2s T s T T C s T K s s K s W m l m e s s pi op 代入数据得 01222.01
19.000285.01329.01
00167.0140385.01385.0452.0)(W 2?++?+?+?=s s s s s s op )
100167.0)(1016.0(8.41++=s s s
图19 校正后的伯德图
从图可知，GM=24dB和γ=56.5deg都是正值，系统稳定。
图20 闭环调速系统的PI调节器串联校正
(1)原始系统的对数幅频特性
(2)校正环节添加部分的对数幅频和相频特性
(3)校正后系统的对数幅频和相频特性
从图20的对比中可以看出：校正后的系统的仰卧频段的斜率变陡，说明校正后的系统的稳态精度变好了（即静差率变小）；校正后的截止频率变小了，说明PI校正牺牲了系统的快速性。
3.3.2无静差调速系统的仿真模型
从上面的分析可以知，只要系统中含有积分环节，该系统就是无静差的。无静差调速系统的稳态结构图如图21，仿真模型如图22。
图21 无静差调速系统的稳态结构图
原版单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统的设计与仿真 单回路的直流调速系统的设计和仿真 内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性 能不满足要求，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，可利用积分调节器代替比例调节器。 通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。 关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差 The design and simulation of Single loop dc speed control system Abstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator. Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation. Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset
转速单闭环直流调速系统设计
郑州航空工业管理学院 电力拖动自动控制系统课程设计 07 级电气工程及其自动化专业 0706073 班级 题目转速单闭环的直流拖动系统 姓名 学号 指导教师孙标 二ОО十年月日
电力拖动自动控制系统课程设计 一、设计目的 加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计的能力。 二、设计任务 设计一个转速单闭环的直流拖动系统
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要
目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ············································································错误!未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 -
单闭环直流调速系统
第十七单元 晶闸管直流调速系统 第二节 单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。 转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。 ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。 1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。 n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ?+=+-=+-=0)(φ φφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降， 而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。 转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为： T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U ↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。 图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。
图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。 假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。 当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。 但在闭环系统中有转速反馈装置，转速稍有降落，转速反馈电压Ufn就相应减小，使偏差电压△U增加，通过转速调节器ASR自动调节，提高晶闸管变流器的输出电压Ud0由Ud01变为Ud02，使系统工作在随线②机械特性上，使电动机转速有所回升，最后稳定在曲线②机械特性的B点上。 同理随着负载电流增加为Id3，Id4，经过转速负反馈闭环系统自动调节作用，相应工作在曲线③④机械特性上，稳定在曲线③④机械特性的C，D点上。 将A，B，C，D点连接起来的ABCD直线就是闭环系统的静特性。 由图可见，静特性的硬度比开环机械特性硬，转速降Δn要小。闭环系统静特性和开环机械特性虽然都表示电动机的转速-电流(或转矩)关系，但两者是不同的，闭环静特性是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)的静态关系，它只是闭环系统调节作用的结果，是在每条机械特性上取一个相应的工作点，只能表示静态关系，不能反映动态过程。 当负载突然增加时，如图所示由Idl突增到Id2时，转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降，然后随着Ud01升高为Ud02，转速n再回升到B点稳定运行，整个动态过程不是沿着静特性AB直线变化的。 2．转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说，转速给定电压不变时，除了上面分析负载变化所引起的电动机转速变化外，还有其他许多扰动会引起电动机转速的变化，例如交流电源电压的变化、电动机励磁电流的变化等，所有这些扰动和负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说，可以被转速检测装置检测出来，再通过闭环反馈控制减小它们对转速的影响。也就是说在闭环系统中，对包围在系统前向通道中的各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流的变化等)对被调量(如转速)的影响都有强烈的抑制作用。但是对于转速负反馈调速系统来说，转速给定电压Ugn的波动和测速发电机的励磁变化引起的转速反馈电压Ufn变化，闭环系统对这种给定量和检测装置的扰动将无能为力。为了使系统有较高的调速精度，必须提高转速给定电源和转速检测装置的精度。
转速单闭环调速系统设计
目录 第1章概述 (1) 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 (1) 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 (1) 第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2) 2.1 原系统的工作原理 (2) 2.2 原系统的动态结构图 (3) 2.3 闭环系统的开环放大系数的判断 (3) 2.4 相角稳定裕度γ的判断 (4) 第3章调节器的设计及仿真 (5) 3.1 调节器的选择 (5) 3.2 PI调节器的设计 (5) 3.3 校正后系统的动态结构图 (8) 3.4 系统的仿真结构图及测试结果 (8) 第4章课程设计总结 (9) 参考文献 (1)
转速单闭环调速系统设计 1、概述 1.1 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。 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求
不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
实验三不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一．实验目的 1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。 二．预习要求 1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三．实验线路及原理 见图1-7。 四．实验设备及仪表 1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—31A组件 3．NMCL—33组件 4．NMEL—03组件 5．NMCL—18组件 6．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01 7．直流电动机M03 8．双踪示波器 9．万用表 五．注意事项 1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。 3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。
4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 5．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验内容 1．移相触发电路的 调试（主电路未通电） （a）用示波器观察 NMCL—33的双脉冲观 察孔，应有双脉冲，且间 隔均匀，幅值相同；观察 每个晶闸管的控制极、阴 极电压波形，应有幅值为 1V～2V的双脉冲。 （b）触发电路输出 脉冲应在30°～90°范围 内可调。可通过对偏移电 压调节单位器及ASR输 出电压的调整实现。例 如：使ASR输出为0V， 调节偏移电压，实现 α=90°；再保持偏移电压 不变，调节ASR的限幅 电位器RP1，使α=30°。 2．求取调速系统在 无转速负反馈时的开环 工作机械特性。 a．断开ASR的“3”至U ct的连接线，G（给定）直接加至U ct，且U g调至零，直流电机励磁电源开关闭合。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U uv、Uvw、Uwu=200V。 c．调节给定电压U g，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U d，输出电流i d以及被测
单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真 一、实验目的 1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。 2．通过改变比例系数K P 以及积分时间常数τ的值来研究K P 和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。 二、实验内容 1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析 三、实验要求 建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。 四、实验原理 图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图 调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。 当t=0时突加输入U in 时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到U ex (t )=K P U in ，实现了快速响应；随后U ex (t )按积分规律增长，U ex (t )=K P U in +(t/τ)U in 。在t =t 1时，输入突降为0，U in =0，U ex (t )=(t 1/τ)U in ，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。 五、实验各环节的参数及K P 和1/τ的参数的确定 5.1各环节的参数： 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 =0.192V ? min/r 。 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数K s =44，滞后时间常数T s =0.00167s 。
实验1：不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究(B5参考格式)
《运动控制系统》实验报告 姓名： 专业班级： 学号： 同组人： 实验一 不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一、实验目的 1、了解转速单闭环直流调速系统的组成。 2、加深理解转速负反馈在系统中的作用。 3、研究直流调速系统中速度调节器ASR 的工作原理及其对系统静特性的影响。 4、测定晶闸管--电动机调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性。 二、实验系统组成及工作原理 采用闭环调速系统，可以提高系统的动静态性能指标。转速单闭环直流调速系统是常用的一种形式。图1-1所示是不可逆转速单闭环直流调速系统的实验原理图。 图中电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式全控整流电路V 供电，通过与电动机同轴刚性联接的测速发电机TG 检测电动机的转速，并经转速反馈环节FBS 分压后取出合适的转速反馈信号U n ，此电压与转速给定信号U n *经速度调节器ASR 综合调节，ASR 的输出作为移相触发器GT 的控制电压U ct ，由此组成转速单闭环直流调速系统。 在本系统中ASR 采用比例—积分调节器，属于无静差调速系统。 图中DZS 为零速封锁器，当转速给定电压U n *和转速反馈电压U n 均为零时，DZS 的输出信号使转速调节器ASR 锁零，以防止调节器零漂而使电动机产生爬行。 RP 给定 图1-1 不可逆转速单闭环直流调速系统
三、实验注意事项 1. 直流电动机M03参数为：P N =185W ，U N =220V ，I N =1.1A ，n =1500r/min 。 2. 直流电动机工作前，必须先加上直流激励。 3. 系统开环以及单闭环起动时，必须空载，且不允许突加给定信号U g 起动电机，每次起动时必须慢慢增加给定，以免产生过大的冲击电流，更不允许通过突合主回路电源开关SW 起动电机。 4. 测定系统开环机械特性和闭环静特性时，须注意电枢电流不能超过电机额定值1A 。 5. 单闭环连接时，一定要注意给定和反馈电压极性。 四、实验内容 1、晶闸管--电动机系统开环机械特性及控制特性的测定 （1）连接晶闸管—电动机系统为开环控制，不必使用转速调节器ASR ，可将给定电压U g （开环时给定电压称为U g ，闭环后给定电压称为U n *）直接接到触发单元GT 的输入端（U ct ），电动机和测功机分别加额定励磁。 （2）测定开环系统控制特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，在0~1500r/min 之间记录几组 （3）测定开环机械特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，然后合上负载开关SL ，改变负载变阻器R g 的阻值，使主回路电流达到额定电流I N ，此时即为额定工作点（n =n N =1500r/min ，I d =I N =1A ）。然后减小负载变阻器R g 阻值，使主回路负载从额定负载减少至空载，记录几组转速 n 和负载转矩T 的数据，并在图1-3所示坐标系中画出开环机械特性曲线。 U g e 图1-2 开环控制特性曲线 图1-3 开环机械特性曲线
直流电机闭环调速
第1章前言 1.1 课题的研究意义 现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速，而且，当今控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。 直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。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。 本次设计是基于51系列单片机对直流电动机单闭环调速系统进行设计，能实现对直流电动机转速控制的功能，实现控制目的同时还配有显示装置，能实时反映当下直流电机的转速值，以优化整个系统的完整性。 通过这次设计，可以使我对51系列单片机的应用和直流电机闭环调节系统进行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融汇贯通，为以后的工作奠定一定的知识基础。 1.2 直流电机调速的发展 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前
课程设计——单闭环不可逆直流调速系统设计
单闭环不可逆直流调速系统设计 目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ··········································································错误！未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 -
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要
目录 第一章中文摘要 ·························································································································- 1 -第二章英文摘要 ·····························································································错误！未定义书签。第三章课程设计的目的和意义 ··································································································- 1 -1．电力拖动简介····················································································································- 1 - 2.课程设计的目的和意义 ·······································································································- 2 -第四章课程设计内容··················································································································- 2 -第五章方案确定 ·························································································································- 3 - 5.1方案比较的论证·············································································································- 3 - 5.1.1总体方案的论证比较···························································································- 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较·······················································································- 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较 ···················································································- 6 -第六章主电路设计 ·····················································································································- 7 - 6.1主电路工作设备选择 ·····································································································- 7 -第七章控制电路设计··················································································································- 8 -第八章结论······························································································································· - 11 -第九章参考文献 ······················································································································· - 11 -
带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计
目录 摘要 (2) 1主电路的设计 (2) 1.1变压器参数的设计与计算 (2) 1.2平波电抗器参数的设计与计算 (3) 1.3晶闸管元件参数的计算 (3) 1.4保护电路的设计 (4) 2反馈调速及控制系统 (4) 2.1闭环调速控制系统 (4) 2.2带电流截止负反馈闭环控制系统 (5) 2.3调节器设定 (8) 2.4控制及驱动电路设计 (9) 3参数计算 (10) 3.1基本参数计算 (10) 3.2电流截止负反馈环节参数计算与设计 (12) 3.3调节器的参数设计与计算 (12) 3.4调节器串联校正设计 (15) 4总电气图 (16) 5心得体会 (18) 参考资料 (18)
带电流截止负反馈转速单闭环直流调速 系统设计 摘要 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，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。本次课设就带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统进行参数的设计。 1主电路的设计 1.1变压器参数的设计与计算 变压器副边电压采用如下公式进行计算： ??? ? ?? -+= N sh T d I I CU A nU U U 2min max cos αβ V U C I I U A n V U V U N sh T d 110) 105.05.09848.0(9.034.21 22205 .0105 .0109 .034 .22 1,220222 min max =??-??+==========则取已知αβ 因此变压器的变比近似为：45.3110 3802 1===U U K 一次侧和二次侧电流I 1和I 2的计算 I 1=1.05×287×0.861/3.45=75A I 2=0.861×287=247A
单闭环直流调速系统
第十七单元晶闸管直流调速系统 第二节单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统得原理如图ｌ7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASＲ、触发器ＣＦ、晶闸管变流器U、测速发电机TG等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n成正比得转速反馈电压Uｆn。 转速给定电压Uｇn与Uｆn比较,其偏差电压ΔＵ=Uｇｎ—Ufｎ送转速调节器ＡSR输入端。 AＳR输出电压作为触发器移相控制电压Uc,从而控制晶闸管变流器输出电压Ud。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环,故称为单闭环调速系统、 1.转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载ＴL时,电动机以给定转速n1稳定运行,此时电枢电流为Id１,对应转速反馈电压为Uｆn1,晶闸管变流器输出电压为Ｕdl。 当电动机负载ＴＬ增加时,电枢电流Ｉd也增加,电枢回路压降增加,电动机转速下降,则Uｆn也相应下降, 而转速给定电压Ugｎ不变,ΔU=Uｇｎ—Ufn增加。 转速调节器ASR输出电压Uc增加,使控制角α减小,晶闸管整流装置输出电压Ud增加,于就是电动机转速便相应自动回升,其调节过程可简述为: T L↑→Id↑→Id(Ｒ∑+Rd)↑→n↓→Ｕfn↓→△U↑→Uc↑→α↓→Ｕd↑→n↑。 图17-41所示为闭环系统静特性与开环机械特性得关系。
图中①②③④曲线就是不同Uｄ之下得开环机械特性。 假设当负载电流为Iｄ1时,电动机运行在曲线①机械特性得Ａ点上、 当负载电流增加为Iｄ2时,在开环系统中由于Ugn不变,晶闸管变流器输出电压Ｕd也不会变,但由于电枢电流Iｄ增加,电枢回路压降增加,电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点,转速只能相应下降、 但在闭环系统中有转速反馈装置,转速稍有降落,转速反馈电压Uｆn就相应减小,使偏差电压△U增加,通过转速调节器ASＲ自动调节,提高晶闸管变流器得输出电压Ud０由Ud01变为Ud02,使系统工作在随线②机械特性上,使电动机转速有所回升,最后稳定在曲线②机械特性得B点上。 同理随着负载电流增加为Iｄ3,Iｄ4,经过转速负反馈闭环系统自动调节作用,相应工作在曲线③④机械特性上,稳定在曲线③④机械特性得C,D点上。 将Ａ,Ｂ,C,Ｄ点连接起来得ＡＢCD直线就就是闭环系统得静特性、 由图可见,静特性得硬度比开环机械特性硬,转速降Δn要小。闭环系统静特性与开环机械特性虽然都表示电动机得转速-电流(或转矩)关系,但两者就是不同得, 闭环静特性就是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)得静态关系,它只就是闭环系统调节作用得结果,就是在每条机械特性上取一个相应得工作点,只能表示静态关系,不能反映动态过程。 当负载突然增加时,如图所示由Idｌ突增到Id2时,转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降,然后随着Ｕd01升高为Ud02,转速n再回升到B点稳定运行,整个动态过程不就是沿着静特性AB直线变化得。 ２.转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说,转速给定电压不变时,除了上面分析负载变化所引起得电动机转速变化外,还有其她许多扰动会引起电动机转速得变化,例如交流电源电压得变化、电动机励磁电流得变化等,所有这些扰动与负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说,可以被转速检测装置检测出来,再通过闭环反馈控制减小它们对转速得影响。也就就是说在闭环系统中,对包围在系统前向通道中得各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流得变化等)对被调量(如转速)得影响都有强烈得抑制作用、但就是对于转速负反馈调速系统来说,转速给定电压Uｇn得波动与测速发电机得励磁变化引起得转速反馈电压Ｕfｎ变化,闭环系统对这种给定量与检测装置得扰动将无能为力。为了使系统有较高得调速精度,必须提高转速给定电源与转速检测装置得精度。
单闭环不可逆直流调速系统设计
单闭环不可逆直流调速系统设计 1.方案分析与认证 1.1转速控制调速指标与要求 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大X围内实现平滑调速，在许多需要调速的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。 为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速X围”和“静差率”。这两个指标合成调速系统的稳态性能指标。一个调速系统的调速X围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调X围。在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速，若额定负载下的转速降落为，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即，于是，最低转速为，而调速X围为，将上式的式代入，得，表示变压调速系统的调速X围、静差率和额定速降之间所满足的关系。 晶闸管-电动机系统是开环系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定X围内的无级调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大校场有波动，但是，为了保证共建的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速X围D=20~30，静差率s≤5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速X围D=3~10时，保证静差率s≤0.2%~0.5%。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。例如，最高
单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真(一)资料
课题：一、单闭环直流调速系统的设计与 Matlab仿真（一） 作者： 学号： 专业： 班级： 指导教师：
摘要 在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，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，可利用积分调节器代替比例调节器。 通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型，然后用此理论去设计一个实际的调速系统。 本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。 另外，设计过程中还要以Matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。 摘要：Matlab 开环闭环负反馈静差稳定性 V-M系统
目录 摘要 (2) 一、设计任务 (4) 1、已知条件 (4) 2、设计要求 (4) 二、方案设计 (5) 1、系统原理 (5) 2、控制结构图 (6) 三、参数计算 (7) 四、PI调节器的设计 (9) 五、系统稳定性分析 (11) 六、小结 (12) 七、参考文献 (13)
1、已知条件 已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统（V-M系统）的结果如图所示。图中直流电机的参数：Pnom=2.2KW，nnom=1500r/min，Inom=12.5A，Unom=220V，电枢电阻Ra=1欧，V-M系统主回路总电阻R=2.9欧，V-M系统电枢回路总电感L=40mH，拖动系统运动部分飞轮力矩GD2=1.5N.m2，测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi型，整流触发装置的放大系数Ks=44，三相桥平均失控时间Ts=0.00167s。 2、设计要求： （1）生产机械要求调速范围D=15 （2）静差率s≤5%， （3）若U*n=10V时，n=nnom=1500r/min，校正后相角稳定裕度γ=45o，剪切频率ωc≥35.0rad/s，超调量σ≤30%，调节时间ts≤0.1s