單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與Matlab仿真（一）

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課題：

一、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與

Matlab仿真（一）

作者：學(xué)號：專業(yè)：班級：指導(dǎo)教師：

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摘要

在對調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域，假使直流電動機開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不滿足要求，可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)理器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可利用積分調(diào)理器代替比例調(diào)理器。

通過對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運算放大器組成的調(diào)理器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機模型和測速電機等模塊的理論分析，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的區(qū)別，得出直流電機調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型，然后用此理論去設(shè)計一個實際的調(diào)速系統(tǒng)。

本設(shè)計首先進行總體系統(tǒng)設(shè)計，然后確定各個參數(shù)，當(dāng)明確了系統(tǒng)傳函之后，再進行穩(wěn)定性分析，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，進行整定以達到設(shè)計要求。

另外，設(shè)計過程中還要以Matlab為工具，以求簡明直觀而便利快捷的設(shè)計過程。

摘要：Matlab開環(huán)閉環(huán)負(fù)反饋靜差穩(wěn)定性

V-M系統(tǒng)

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目錄

摘要………………………2

一、設(shè)計任務(wù)……………41、已知條件························································4

2、設(shè)計要求………………4

二、方案設(shè)計……………51、系統(tǒng)原理………………52、控制結(jié)構(gòu)圖……………6三、參數(shù)計算……………7四、PI調(diào)理器的設(shè)計…………………9五、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析……………………11六、小結(jié)…………………12七、

圖2、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具體原理圖

2、控制結(jié)構(gòu)圖

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(jié)構(gòu)圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

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(jié)構(gòu)圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。

由所學(xué)的相關(guān)課程知：放大環(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)。所以，可以得到如下的框圖：

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圖4、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

三、參數(shù)計算：根據(jù)已知參數(shù)計算如下：

1、為了滿足D=15，s≤5%，額定負(fù)載時調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為：

?ncl?nNs1500?0.05?r/min?5.26r/minD(1?s)15?(1?0.05)

2、根據(jù)錯誤！未找到引用源。?ncl，求出系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)先計算電動機的電動勢系數(shù)

Ce?UN?INRa(220?12.5?1)V??0.1383V?min/rnN1500r/min則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為

?nop?INRc?e12.5?2.9r/min?262.11r/min

0.1383閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為

K??nop?ncl?1?262.11?1?49.83?1?48.835.263、計算測速反饋系數(shù)：

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Un=k-△UnUn*-Un=△Un

帶入已知條件K=48.83，Un*=10V得Un=9.8V所以反饋系數(shù)a=

9.8Un==0.0065nnom15004.計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)

Kp?KCe48.83?0.1383??23.6?Ks0.0065?44實取錯誤！未找到引用源。Kp?23.6

按運算放大器參數(shù)，取錯誤！未找到引用源。R0?40K?

則錯誤！未找到引用源。

R1?KpR0?23.6?40K??945K?

5.反饋電壓

Un?nN???1500?0.0065V?9.75V

6．系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)Tl?電機時間常數(shù)

GD2R1.5?2.9?s?0.0635sTm?375CeCm375?0.1383?30?0.1383L0.04???0.0138sR2.9??對于三相橋式整流路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為Ts?0.00167s

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)的穩(wěn)定條件

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Tm(Tl?Ts)?Ts0.0635?(0.0138?0.00167)?0.001672K???42.75=Kcr

TlTs0.0138?0.001672按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求K>Kcr，因此，此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。四、PI調(diào)理器的設(shè)計

由于閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，利用伯德圖設(shè)計PI調(diào)理器，使系統(tǒng)在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運行。

原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

W(s)?K2(Ts?1)(TmTls?Tms?1)由上已知Ts?0.00167s，Tl?0.0138s，Tm?0.0635s，在這里，Tm?4Tl，因此分母中的二次項TmTls2?Tms?1可分解成兩個一次項之積，即

TmTls2?Tms?1?0.0008763s2?0.0635s?1?(0.0432s?1)(0.0203s?1)

則閉環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)取為

K?KpKs?Ce?23.6?44?0.0065?48.80

0.1383于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是W(s)=

48.8

(0.0432S?1)(0.0203S?1)(0.0167S?1)三個轉(zhuǎn)折頻率分別為：W1=1/T1=1/0.0432=23.1s?1

W2=1/T2=1/0.0203=49.3s?1W3=1/T3=1/0.0167=600s?1

利用margin命令函數(shù)

n1=[048.8];d1=[0.04321];s1=tf(n1,d1);n2=[01];d2=[0.02031];s2=tf(n2,d2);n3=[01];d3=[0.001671];s3=tf(n3,d3);

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sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的頻率特性如下圖

而20lgK=20lg48.8=33.77dB

由于相角裕度和增益裕度GM都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定?，F(xiàn)在換成PI調(diào)理器，它在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為

Kpi?s?11Wpi(s)?KpKp?s?c1?2?2?c12?2c120lgK?20lg?40lg?20lg()?20lg?1?2?1?2?1?2所以?c1?K?1?2?48.8?23.1?49.3s?1?235.74s?1取Kpi??T1?0.0432s,為了使?c2?1?49.3s?1,取?c2?40s?1,則L1??L2?30dBT2所以20lgKpKpi?30dB,KpKPi?31.6,已知Kp?23.6,所以Kpi?23.6?0.7531.6??T10.0432??0.0576Kpi0.75于是，PI調(diào)理器的傳遞函數(shù)為Wpi(s)?0.0432s?1

0.0576s最終，選擇PI調(diào)理器的阻容參數(shù)。已知R0?40K?，則

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R1?KpiR0?0.75?40K??30K?，取R1?30K?，C1??R0?0.0576?1.44?F40那么校正后的動態(tài)圖如下：

五、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由Simulink的動態(tài)模型繪制校正后系統(tǒng)Bode圖=linmod(‘mx009B’);S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);

運行程序后繪制系統(tǒng)Bode圖如下：

相角裕度γ=45deg和增益裕度GM=23.2dB都是正值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。

由Simulink的動態(tài)模型繪制校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線=linmod(‘mx009B’);S0=ss(A,B,C,D);

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S1=tf(s0);Step(s1);

運行程序后繪制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線如下：

六、心得體會

經(jīng)過這次的課程設(shè)計，我學(xué)會了好多平日沒有接觸的知識。已把握的自動控制知識在本次實踐中得到了充分的發(fā)揮。在和同學(xué)合作的過程中，我也充分體會到了團結(jié)協(xié)作的重要性。完成了本次課程設(shè)計。經(jīng)過這次課設(shè)，我學(xué)習(xí)并把握了自