数字控制仿真作业.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.18M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题的背景、目的及意义

1.2 课题研究的现状和发展趋势

1.3 本课题采用的技术方案及技术难点

1.4 本设计的主要研究内容

1.4.1 建立系统的数学模型

1.4.2 经典控制部分

1.4.3仿真部分

第2章双闭环调速系统的工作原理及数学模型

2.1 系统的参数测定

2.2 双闭环调速系统的工作原理

2.2.1 转速控制的要求和调速指标

2.2.2 调速系统的两个基本矛盾

2.2.3 调速系统的双闭环调节原理

2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析

2.2.5动态性能和转速、电流两个调节器的作用

2.3晶闸管—电动机主电路的设计

2.4 主电路参数计算

2.5 主电路的过电压和过电流保护

2.5.1 过电压保护

2.5.2 过电流保护

第3章按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器

3.1设计要求

本论文首先应用经典控制理论的工程设计方法,设计出转速和电流双闭环直流调速系统,然后利用现代控制理论中

3.1.1基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）

3.1.2 设计指标

3.1.3 工程设计方法的基本思路

用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静

第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。

第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标

这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾—动态稳定性和

在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按

3.2电流调节器的设计

3.2.1电流环动态结构图的简化

设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用。它代表转速环输出量对电流环的影响。实际系统中的

图3.1 电流环的动态结构图及其化简

3.2.2电流调节器结构的选择

首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统,电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许

图3.1c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型Ⅰ型系统，应采用PI型的电流调节器，其传递

3.2.3 电流调节器参数的计算

3.2.4电流环的动态性能指标

3.3转速调节器的设计

3.3.1电流环的等效闭环传递函数

在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。为此，需求出它的等效传递函数

近似条件:

式中为转速环开环频率特性的截止频率,其一般较低

3.3.2转速环的动态结构图及其近似处理

用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如3.4（a）所示。把转速给定滤波和反

3.3.3 转速调节器结构的选择

1转速调节环选用典型Ⅱ型系统的原因

1) 系统在负载扰动作用下，动态速降要小。

2) 饱和非线性性质使超调量降低。

3) 转速环基本上是恒值系统。

2 典型Ⅱ型系统参数和性能指标的关系

为了分析方便起见，引入一个新的变量h，

令

h是斜滤为-20dB/dec的中频断的宽度(对数坐标)，称作“中频宽”。由于中频段的状况对控制系统的

因此

从图还可看出，由于T一定，改变就等于改变了中频

图3.5 典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性和中频宽

由“振荡指标法”中所用的闭环幅频特性峰值最小准

ω2/ωc = 2h/(h+1) (式3

ωc/ω1 = (h+1)/2 (式3

而 ω1+ω2 = 2ωc/(h+1)+2hωc/(h+1)=2ωc

因此

对应的最小M峰值是

确定了h和以后,可以很容易的计算

(式3.16)

3.3.4 转速调节器参数的计算

要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，ASR也应采用PI调节器，其传递函数

为

式中 Kn—转速调节器的比例系数;

τn—转速调节器的超前时间常数

调速系统的开环传递函数为

3.3.5 转速环的抗扰性能指标

3.4电流环、转速环开环对数幅频特性的比较

第4章调速系统性能指标的数字仿真

4.1 基于工程设计的数字仿真

图4.1 双闭环调速系统仿真结构图

4.2 时域分析

在SIMULINK工具箱中点击启动键, scope中即可见时域响应图。双闭环调速系统的起动过程如图

通过对仿真结果的分析，双闭环调速系统的工作过程可概括为如下几点：

1)ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态，及饱和限幅输出与线性调节状态。

2)ACR从启动到稳态运行的过程中只工作在一种状态，即线性调节状态。

3)所设计系统的电动机起动特性已十分接近理想特性。所以，该系统设对于起动特性来说，已达到预期目的。

参考文献

结束语

通过本次设计，我对直流调速系统的控制有了更深的掌握，并能熟练操作MATLAB语言以及Protell9

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，自学、与同学交流讨论以及向老师请教等方式来解决设计中遇到的难题

致谢

宁夏理工学院毕业设计摘要转速、电流双闭环控制的直流调速系统是性能很好的直流调速系统，更是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统，它具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以在电力传动系统中得到了广泛的应用。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路，调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本论文首先确定整个设计的方案和框图；然后确定主电路的参数以及框图中所需的电动机参数；本论文的重点设计是直流电动机的转速调节器和电流调节器的设计，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，在直流调速系统起动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，只要转速负反馈，二者之间实行串级联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速和电流两个调节器都采用 PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统就能获得良好的静、动态性能。最后采用 MATLAB/SIMULINK 对整个调速系统进行了仿真分析，使其满足工程设计参数指标。关键词：电力传动；双闭环；直流调速系统；电流调节器；转速调节器 I

宁夏理工学院毕业设计 Abstract Speed, current double closed loop control of DC speed regulation system is a very good performance of the DC motor speed control system, is also a kind of wide applications, economic, applicable to electric drive system, it has a wide speed range, high precision, good dynamic performance and easy to control, is all kinds of AC, DC electric drive automatic control system important basis, so in electric drive automatic control system has been widely used. Based on the design of the subject, the DC motor speed controller, the speed, current double closed loop speed control circuit, control system's main circuit adopts a three-phase full-bridge controlled rectifier circuit to supply power. This paper firstly determine the whole design scheme and block diagram; then to determine the parameters of the main circuit and the block diagram of the desired motor parameters; the focus of this paper is the design of DC motor speed regulator and current regulator design, respectively, to adjust the speed and current, which are respectively introduced into the speed negative feedback and current negative feedback, in DC control system start process only the current negative feedback, to achieve steady speed, as long as the speed negative feedback, two between implementation of cascade connection. From the closed loop structure, the current loop on the inside, known as the inner ring; the speed loop outside, called outer ring. This form of speed, current double closed loop speed regulation system. Speed and two current regulators have adopted PI regulator, the DC double loop speed control system can obtain good static, dynamic performance. Finally using the MATLAB / SIMULINK on the speed regulation system simulation and analysis are carried out, in order to meet the engineering design parameters. Key words: power transmission ；double closed loop ；DC speed control system ；current regulator；speed regulator II

宁夏理工学院毕业设计目录摘要................................................................................................................................................. I Abstract........................................................................................................................................ II 目录...............................................................................................................................................III 第 1 章绪论.......................................................................................................................... - 1 - 1.1 课题的背景、目的及意义......................................................................................... - 1 - 1.2 课题研究的现状和发展趋势..................................................................................... - 1 - 1.3 本课题采用的技术方案及技术难点......................................................................... - 2 - 1.4 本设计的主要研究内容............................................................................................. - 3 - 1.4.1 建立系统的数学模型...................................................................................... - 3 - 1.4.2 经典控制部分.................................................................................................. - 3 - 1.4.3 仿真部分........................................................................................................... - 3 - 第 2 章双闭环调速系统的工作原理及数学模型.............................................................. - 4 - 2.1 系统的参数测定......................................................................................................... - 4 - 2.2 双闭环调速系统的工作原理..................................................................................... - 6 - 2.2.1 转速控制的要求和调速指标.......................................................................... - 6 - 2.2.2 调速系统的两个基本矛盾.............................................................................. - 7 - 2.2.3 调速系统的双闭环调节原理.......................................................................... - 8 - 2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析.................................................................. - 9 - 2.2.5 动态性能和转速、电流两个调节器的作用................................................. - 11 - 2.3 晶闸管—电动机主电路的设计................................................................................ - 12 - 2.4 主电路参数计算....................................................................................................... - 13 - 2.5 主电路的过电压和过电流保护............................................................................... - 14 - 2.5.1 过电压保护.................................................................................................... - 14 - 2.5.2 过电流保护.................................................................................................... - 14 - 第 3 章按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器.................. - 15 - 3.1 设计要求.................................................................................................................... - 15 - 3.1.1 基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）............................................. - 15 - 3.1.2 设计指标........................................................................................................ - 16 - III

宁夏理工学院毕业设计 3.1.3 工程设计方法的基本思路............................................................................ - 16 - 3.2 电流调节器额定设计................................................................................................ - 17 - 3.2.1 电流环动态结构图的简化............................................................................. - 17 - 3.2.2 电流调节器结构的选择................................................................................. - 18 - 3.2.3 电流调节器参数的计算................................................................................ - 19 - 3.2.4 电流环的动态性能指标................................................................................. - 20 - 3.3 转速调节器的设计.................................................................................................... - 21 - 3.3.1 电流环的等效闭环传递函数......................................................................... - 21 - 3.3.2 转速环的动态结构图及其近似处理............................................................. - 21 - 3.3.3 转速调节器结构的选择.............................................................................. - 22 - 3.3.4 转速调节器参数的计算................................................................................ - 24 - 3.3.5 转速环的抗扰性能指标................................................................................ - 26 - 3.4 电流环、转速环开环对数幅频特性的比较............................................................ - 27 - 第 4 章调速系统性能指标的数字仿真.............................................................................. - 29 - 4.1 基于工程设计的数字仿真....................................................................................... - 29 - 4.2 时域分析................................................................................................................... - 30 - 参考文献.................................................................................................................................. - 31 - 结束语...................................................................................................................................... - 32 - 致谢.......................................................................................................................................... - 33 - IV

宁夏理工学院毕业设计第 1 章绪论 1.1 课题的背景、目的及意义 20 世纪 90 年代前的大约 50 年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。许多生产机械，由于加工和运行的要求，电动机经常处于起动，制动，反转的过渡过程，严重制约了生产效率。为了缩短这部分时间，仅采用 PI 调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由速度，电流两个 PI 调节器综合调节，可获得良好的静态、动态性能。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统，更是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。转速、电流调节器分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者实行串级联接，采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程实现快速起动，达到稳态转速后，只需要转速负反馈作用。两个调节器组成的双闭环的调速系统具有良好的静、动态性能和抗干扰能力。如果对系统的动态性能要求较高，例如快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统是不能满足要求的。在我国许多工业部门的电力拖动场合仍然采用直流双闭环调速系统。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，并应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。 1.2 课题研究的现状和发展趋势就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门， - 1 -

宁夏理工学院毕业设计如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，计算机和直流双闭环调速系统的结合体具有工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能给用户的使用、维护提供极大方便。趋势：近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，高性能的交流调速系统发展很快，直流电动机的缺点日益显露，交流可调拖动势必会取代直流可调拖动系统，交流调速取代直流调速后，直流与交流共存。 1.3 本课题采用的技术方案及技术难点根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析： 1．直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型 2．双闭环直流调速的工程设计 3．应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。 - 2 -

宁夏理工学院毕业设计 1.4 本设计的主要研究内容 1.4.1 建立系统的数学模型分析双闭环调速系统的工作原理，列写双闭环调速系统各环节的传递函数，并画出其动态结构图。 1.4.2 经典控制部分首先了解双闭环直流调速系统的基本原理，然后应用工程设计方法，分别进行主电路、电流环和转速环的设计,并应用 MATLAB 语言中的 SIMULINK 工具箱对系统进行仿真。 1.4.3 仿真部分简单介绍 MATLAB 语言及 SIMULINK 工具箱，重点运用 SIMULINK 工具箱对系统进行仿真,获得系统的动态响应曲线及其频率特性曲线。结合曲线对由不同方法设计出的调速系统的性能进行比较研究，从而得到性能指标较为理想的系统模型。并尝试性地提出改进方案。 - 3 -

宁夏理工学院毕业设计第 2 章双闭环调速系统的工作原理及数学模型 2.1 系统的参数测定在画出系统的方块图，进行调节器的设计之前，必须先要求出传递函数有关的各个参数，这是很重要的一步。若参数不对或不正确，调节器的计算那就必然是不合要求的。在方块图中涉及到电动机的有四个参数：机电时间常数 mT ,电气时间常数 DT ，电枢（包括可控硅整流器等其它部分）内阻 R 和电势常数 eC  。为了便于说明调节器的设计、计算起见，我们先选定一种直流电动机，它的铭牌参数：额定功率 NP =22kW,额定电压 NU =220V, 额定电流 NI =116A，额定转速 Nn =1500r/min,电枢内阻 DR  0.112  。包括其它部分后，电枢回路内阻可测得为 R  0.32  .电枢回路（包括所串滤波器、电抗器等）总电感量（实测） L   37.22 mH 。由此出发我们来计算方块图中所需的电动机参数。 1 电气时间常数 T l  L  R   37.22 0.32 mH   116 ms  0.116 s 2 由电势平衡方程（静态） U N 得，电势常数    C n N e I R N D U N C e   n I R N D  N 220 116 0.112   1500  0.138 / V r / min 由电机原理可知， eC 和 mC 仅差一常系数， C m  30  C e  9.55 C e  1.318 / V r / min 3 内阻 R  0.32  ,这是实际测量的。 4 机电时间常数 mT ，为求它还需测量电机的转动惯量 2GD 。由力矩平衡方程 - 4 -

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