转速单闭环调速系统设计说明
单闭环直流调速系统课程设计
综合课程设计说明书题目：单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真（一）学院：机电与汽车工程学院专业班级：电气工程与自动化专业（1）班姓名：学号： 07240113指导教师：目录第一章概述 (2)第二章调速控制系统的性能指标 (3)2.1 直流电动机工作原理 (4)2.2 电动机调速指标 (4)2.3 直流电动机的调速 (5)2.4 直流电机的机械特性 (5)第三章单闭环直流电动机系统 (6)3.1 V-M系统简介 (6)3.2 闭环调速系统的组成及静特性 (7)3.3反馈控制规律 (8)3.4 主要部件 (9)3.5 稳定条件 (11)3.6 稳态抗扰误差分析 (12)第四章单闭环直流调速系统的设计及仿真 (14)4.1 参数设计 (14)4.2 参数计算及MATLAB仿真 (15)第五章总结 (24)参考文献第一章概述电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。
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，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。
单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。
单闭环直流电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电动机-发动机、闭环控制系统等组成，我们可以通过改变晶闸管的控制角来调节转速，本文就单闭环直流调速系统的设计及仿真做以下介绍。
第二章调速控制系统的性能指标2.1 直流电动机工作原理一、直流电机的构成(1)定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；(2)转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴；(3)气隙二、直流电机的励磁方式按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电动机四种。
转速负反馈单闭环自动调速系统
的结果, 与注册会计师讨论风险问上题一和页下重一要页 返回
第一节 注册会计师与治理层的沟通
(２) 帮助注册会计师更好地了解被审计单位 及其环境。
在与治理层就计划的审计范围和时间安排进 行沟通时, 尤其是在治理层部分或全部成员 参与管理被审计单位的情况下, 注册会计师 需要保持职业谨慎, 避免损害审计的有效性。
晶闸管整流装置Ks=30,测速发电机PN=22KW，
UN=110V，IN=0.2A，nN=1880r/min,
设计要求稳态指标为调速范围D=10，静差率S≤0.05，
求：①额定负载时闭环系统稳态转速降Δn b与
开环系统稳态转速降Δn k
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全会计政策和财务报表披露的 判断。 针对会计实务重大方面的质量进行 开放性的、建设性的沟通, 可能包括评价重 大会计实务的可接受性。
２.审计工作中遇到的重大困难
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第一节 注册会计师与治理层的沟通
(３) 为获取充分、适当的审计证据需要付出 的努力远远超过预期;
4.2.2 系统静态特性分析与计算
3），当要求的静差率相同，且最高转速相同时，
闭环系统的调速范围D是开环系统的（1+K）倍。
即闭环系统可达到的最低转速要比开环系统小得多。
3，转速负反馈调速系统的稳态参数计算
例：某转速负反馈调速系统如图4-11，
已知直流电动机PN=2.5KW，UN=220V，
IN=15A，nN=1500r/min,电枢电阻R=2Ω,
§4.2 转速负反馈单闭环自动调速系统
4.2.1 系统组成及工作原理 4.2.2 系统静态特性分析计算 4.2.3 转速负反馈系统的抗扰动性能 4.2.4 单环控制调速系统的限流保护——电流
闭环转速单闭环的直流调速系统
制
系 统 》
nN
nN s D(1 s)
1000 0.05 r / min 20 (1 0.05)
2.63r / min
课
件
由 上 例 可 以 看 出 ， 开 环 调 速 系 统 的 额 定 速 降 是 275
r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百
倍！
由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈 首页 控制的闭环调速系统来解决这个问题。
动 控 制 系
开环机械特性
： n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
nop
统 》 课 件
闭环时的静特性： 系统特性比较：
n
K
p
KsU
* n
Ce (1 K )
RId Ce (1
K)
n0cl
ncl
（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。
动
控
制 利用上述各环节的稳态关系式可以画出闭环系统的稳态结构图
系
统
》 课
- IdR
件
U*n + ∆Unn Kp Uc Kss Ud0 + E
1/Ce
n
- Un
首页
上页
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末页
结束
图2-2a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
机械与材料学院
《
运
动 控
图2-2b 只考虑给定作
制 用 时的闭环系统
机械与材料学院
《 系统调节过程：
运
单闭环直流调速系统课程设计
单闭环直流调速系统课程设计1. 引言单闭环直流调速系统是电力工程中常见的一种控制系统，用于控制直流电机的转速。
本文将对单闭环直流调速系统进行课程设计，包括系统建模、控制器设计、仿真分析等内容。
2. 系统建模2.1 直流电机模型首先，我们需要对直流电机进行建模。
直流电机可以简化为一个电动势源、一个电阻和一个反电动势。
根据基尔霍夫定律和欧姆定律，可以得到直流电机的数学模型如下：V a=I a R a+k eωm其中，V a为输入电压，I a为输入电流，R a为线圈电阻，k e为反电动势系数，ωm为转速。
2.2 转速传感器模型在实际应用中，我们通常使用转速传感器来测量转速。
假设转速传感器测得的转速为ωr，则有：ωr=k tωm其中，k t为传感器系数。
2.3 控制器模型为了实现对直流电机转速的调节，我们需要设计一个控制器。
这里我们选择PID控制器作为控制器的模型。
PID控制器的输出为控制电压V c，根据PID控制器的定义，有：V c=K p(ωr∗−ωr)+K i∫(ωr∗−ωr)t0dt+K dddt(ωr∗−ωr)其中，K p、K i、K d分别为比例、积分和微分系数，ωr∗为期望转速。
3. 控制器设计3.1 参数整定方法在实际应用中，我们需要根据系统的要求来确定PID控制器的参数。
常用的参数整定方法有经验法、试误法和自整定法等。
这里我们选择试误法进行参数整定。
首先，将PID控制器中的积分项和微分项置零，只保留比例项。
通过调节比例系数K p，观察系统响应特性。
如果系统过冲较大，则减小比例系数；如果系统响应较慢，则增大比例系数。
接下来，在合适的比例系数下，将积分项和微分项逐渐引入，并调节相应的系数。
最终得到满足要求的PID控制器参数。
3.2 仿真分析为了验证所设计的控制器的性能，我们进行仿真分析。
选择合适的仿真软件，建立单闭环直流调速系统的数学模型，并将所设计的控制器加入系统中。
通过对不同输入信号（如阶跃信号、正弦信号等）的响应分析，可以评估控制系统的性能。
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。
转速单闭环V-M不可逆直流调速系统设计1
转速单闭环V-M不可逆直流调速系统设计目录一，前言 (3)1.1设计的目的 (3)1.2设计的意义 (3)1.3设计主要问题的解决 (3)二，方案的比较论证 (4)2.1总体方案的比较论证 (4)2.2主电路方案的比较论证 (6)2.3控制电路的论证方法 (7)三，主电路的设计 (8)四，控制电路设计 (10)五，结论 (13)六，参考文献 (14)一、前言1.1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。
1.2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。
1.3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。
转速单闭环直流调速系统设计1
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。
PWM单闭环直流调速控制系统设计方案稿
PWM单闭环直流调速控制系统设计方案稿一、概述本文将介绍一种基于PWM单闭环直流调速控制系统的设计方案。
该控制系统采用先进的数字信号处理技术，结合现代控制理论，实现了对直流电机的速度闭环控制。
通过控制电机的输入电压和电流，可以实现对电机的速度和转矩的调节。
二、系统组成系统由控制器、电源、电机、位置传感器等组成。
1. 控制器控制器采用单片机作为核心，结合高性能数字信号处理器（DSP）实现对直流电机的控制。
控制器的输入信号包括电机的速度信号和电流信号，输出信号为PWM波形输出信号。
控制器还可以接受外部命令，以实现自动控制。
2. 电源电源模块主要提供DC电压和电流，以驱动电机运转。
电源还需要具备良好的稳定性和可靠性，以确保电机的顺畅运行。
3. 电机电机是系统中最重要的组成部分，它产生的动力能够驱动机械系统的运动。
电机主要由电路板、转子和定子组成。
电机所选定子是具有良好导电、高强度、低热膨胀系数、低扭矩波动等性能的材料。
4. 位置传感器位置传感器主要用于检测电机的运动状态和位置。
这里采用霍尔效应传感器，它可以通过感应磁场的变化来检测转子位置和转速。
三、控制原理PWM（Pulse Width Modulation）可以用来控制电机的速度和转矩，可实现大功率的低损耗控制，是电动汽车等应用领域的重要技术。
PWM单闭环直流调速控制系统采用电流控制和速度控制两个环节，实现对直流电机的闭环控制。
电流控制环节主要用来控制电流大小和方向。
在此环节中，通过对电机的PWM控制信号来控制电机的输入电流，可以实现对电机转矩的调节。
2. 速度控制环节本系统的控制器选用TI的C2000系列数字信号处理器作为核心，主要用于PWM输出信号的实现和电机控制功能的实现。
该数字信号处理器具有高性能、低功耗、高可靠性等优点，能够满足本系统的控制要求。
控制器主要由PWM模块、ADC模块、PID控制器、位置检测器等组成。
其中，PWM模块用来实现电机的PWM信号输出，ADC模块用来实现电机的电流量测和速度量测，PID控制器用来根据电机的速度信号和目标速度信号计算出PWM信号，位置检测器用来检测电机的位置。
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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 (10)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n=1500rpm,U N=220V,I N=17.5A,Ra=1.25Ω。
主回路总电阻电动机参数：P N=3KW,NR=2.5Ω，电磁时间常数T l=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α=0.07。
调速指标：D=30，S=10%。
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。
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。
2、原系统的动态结构图及稳定性的分析2.1 原系统的工作原理简单闭环控制系统是指控制器与受控对象之间既有顺向作用又有一个反馈作用的控制系统，实际工程常是负反馈闭环控制。
工程领域的恒值控制系统通常是单闭环控制系统。
例如：水塔的水位控制系统；电源恒压调节系统；电冰箱的恒温调节系统；加热炉的炉温控制系统；测速反馈的单闭环控制系统等。
单闭环控制系统是最重要最基本的结构组成。
引入转速负反馈信号以后，放大器的输入信号是给定信号*n U 和反馈信号n U 之差，即n n n U U U -=∆*。
当电动机负载增加时，电枢电阻压降必然增大。
若是开环系统，电动机转速只能下降，但是在闭环系统中，转速稍有降落，反馈电压n U 随之下降，接着是↑↑→↓→↑→↑→∆n U U U d ct n α上述调节过程是当负载增加（或降低）时，相应地整流电压d U 就提高（或减小），从而补偿掉电动机电枢回路电阻电压的增量，维持电动机反电势E （或转速n ）几乎不变。
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。
图2.1是用集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统。
图2.1转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图2.2 原系统的动态结构图转速负反馈闭环控制系统动态结构框图。
如图2.2：图2.2 转速负反馈闭环控制系统动态结构框图2.3 闭环系统的开环放大系数的判断电动机参数：P N =3KW, N n =1500rpm,U N =220V,I N =17.5A,Ra=1.25Ω。
主回路总电阻R=2.5Ω，电磁时间常数T l =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α=0.07。
调速指标：D=30，S=10%。
三相桥式电路的失控时间Ts=0.00167s 。
系统稳定条件为：42.4900167.0017.000167.0)00167.0017.0(075.0)(22=⨯++⨯=++<S l S S l m T T T T T T K 而按照稳态性能指标要求，额定负载时闭环系统稳态速降应为：min 56.5min )1.01(301.01500)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆ 脉宽调速系统饿开环额定转速为：先计算电动机的电动势系数r V n R I U C N a N N e min 132.0150025.15.17220⋅=⨯-=-=min 44.331min 132.05.25.17r r C R I n e N op =⨯==∆ 为了保持稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数应满足6.58156.544.3311=-≥-∆∆=cl opn n K 显然，系统不能在满足稳态性能的条件下运行。
2.4 相角稳定裕度γ的判断未校正前的系统的开环传函为 )))(((10167.01026.01049.058.55)(+++=s s s s W 其Bode 图为图2.3所示图2.3 校正前的伯德图由图2.3可知相角稳定裕度γ和增益裕度GM 都是负值，所以原闭环系统不稳定。
3、调节器的选择及设计3.1 调节器的选择在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。
动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。
在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。
串联校正比较简单，也容易实现。
对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID 调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。
PID 调节器中有PD 、PI 和PID 三种类型。
由于PD 调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI 调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的，用PID 调节器实现的滞后和超前校正则有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI 调节器。
如图3.1所示。
图3.1比例积分（PI ）调节器线路图3.2 PI 调节器的设计已知系统为不稳定的。
设计PI 调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。
原始系统的开环传递函数)1)(1()(2+++=s T s T T T K s W m l m sL m m L s T T s T s T s T 4,075.0,017.0,00167.0 在这里，===，因此分母中的二次项)1(2++s T s T T m l m 可以分解为两个一次项之积，即22001275.01s s T s T T m l m ++++0.075s+1=(0.049+1)(0.026+1)闭环系统的开环放大系数取为58.551925.001158.04421=⨯⨯==e S P K K K α 于是，原始闭环系统的开环传递函数为)10167.0)(1026.0)(1049.0(58.55)(+++=s s s s W 三个转折频率为 1114.20049.011-===s sT ω 1225.38026.011-===s sT ω 133********.011-===s s T ω 由图2.3可见相位裕度和增益裕度都是负值，所以原始闭环系统不稳定。
为了是系统稳定设置PI 调节器，考虑到原始系统中包含了放大系数为P K 的比例调节器，现在换成PI 调节器，它在原始系统的基础上新添加的部分传递函数应为：sK s K s W K P pi pi P ττ1)(1+= 由于原始系统不稳定，表现为放大系数K 过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。
因此，把校正环节的转折频率τpi K 1设置在远低于原始系统截止频率cl W 处,令1T K pi =τ,使校正装置的比例微分项1+τpi K 与原始系统中时间常数最大惯性环节()111+T 对消,从而选定1T K pi =τ。
其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以dec dB 20-的斜率穿越dB 0线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的对数幅频和相频特性的截止频率221T W C <。
这样，在2C W 处，应有 dB L L L 0321=-=或根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了。
2122212212lg 20)(lg 20lg 40lg 20lg 20W W W W W W W W W W W K cl cl cl ==+= 因此，21W KW W cl =代入已知数据，得119.2085.384.2058.55--=⨯⨯=s s W cl取1T K pi =τ=0.049s,为了使221T W C <=15.38-s ,取1230-=s W c 在原始系统的对数幅频和相频特性查得相应得dB L dB L 5.31,5.3121-==因而。
从校正环节添加部分的对数特性看出PiP P Pi K K K K L lg 2011lg 202-=-=ττ 所以 58.37,5.31lg 20==piP pi P K K dB K K ，21=P K 因此 559.058.3721==pi K 而且 s s K T pi 088.0559.0049.01===τ 于是，PI 调节器的传递函数为 0.0491()0.088pi s W s s +=最后，选择PI 调节器的阻容参数。
已知,400KΩ=R 则KΩ=KΩ=KΩ⨯==22,36.2240559.0101R R K R pi 取F C F F R C μμμτ2.2,2.21040088.01301==⨯==3.3 校正后系统的动态结构图校正后系统的动态结构图如图3.2所示。
图3.2 校正后系统的动态结构图3.4 系统的仿真结构图系统的仿真结构图如图3.2所示。
图3.2 系统的仿真结构图100167.040+s 1075.0001275.058.72++s s 07.02.5(1017.0+s ))(s I dL)(s U n ∆ )(s U C)(0s U d )(s n s s 088.01049.0+)(*s U n4、课程设计总结本课程的课程设计是在学习完《电力拖动自动控制系统》课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于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,培养应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。