控制系统设计与仿真课设计报告.docx

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1、掌握系统设计与仿真课程设计报告目录摘要1一、概述2二、设计任务与要求22. 1设计任务23. 2设计要求2三、理论设计34. 1双闭环调速系统总设计33.2设计电流调整器53. 2. 1.2确定时间常数5选择电流调整器的结构53. 2. 1.4校验近似条件53. 2. 1.5计算调整器电阻和电容63. 3速度环设计 63. 3. 1确定时间常数73. 3. 2 选择转速调整器结构73. 2. 2. 3检验近似条件73. 2. 2. 4计算调整器电阻和电容73. 2. 2. 5校核转速超调量7四、系统建模及仿真试验84. 1 MATLAB仿真软件介绍84. 2仿真建模及试验 84. 2. 1 单

2、闭环仿真试验84. 2.2电流环仿真试验104. 2.3双闭环仿真试验104. 2.4反馈回路扰动仿真试验14五、总结15六、体会16参考文献17摘要从七十年月开头，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广 泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、 移相掌握电路、转速电流双闭环调速掌握电路、以及缺相和过流爱护电路等.给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调整。采纳双PI调整器，可获得良好的动静态 效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰 性能，速度环设计成典型II型系统。依据转速

3、、电流双闭环调速系统的设计方法，用 MATLAB做了双闭环直流调速系统仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得 出正确的仿真波形图。本文还对实际中可能消失的各种干扰信号进行了仿真，此外本文还介 绍了实物验证的一些状况。关键词：MATLAB直流调速双闭环转速调整器电流调整器干扰一、概述我们都知道，对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环 调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电 流环，相应的要运用转速调整器和电流调整器对转速和电流进行调整“为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调整器，分 别引入

4、转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。把转速调整器的输出当作电流调 整器的输入，再用电流调整器的输出去掌握电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环 在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。采纳PI调整的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静 差。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值/力”的恒 流过程。依据反馈掌握规律，采纳某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采 纳电流负反馈应当能够得到近似的恒流过程。应当在起动过程中只有电流负反馈，没有转速 负反馈，达到稳态转速后，又盼望只要转速负反馈

5、，不再让电流负反馈发挥作用。但是电流 会有肯定的超调，用MATLB/Simulink工具分析设计直流电动机速度掌握系统。二、设计任务及要求2.1设计任务设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求采用晶闸管供电，整流装置 采纳三相桥式电路。直流电动机参数： 额定功率60KW,额定电压220V,额定电流308A,额定转速 1000r/m, Ce=0. 196Vmin/r, 允许过载倍数4=1. 5。 晶闸管装置放大系数：K=35电枢电阻：Ra=O. 09C 电枢回路总电阻：2Ra=0. 18。时间常数：机电时间常数力”=0. 12s,电磁时间常数力=0. 012s电流反馈系数：/?=0. 05V/

6、A 转速反馈系数：a=0. 007v min/r转速反馈滤波时间常数：Ton =0.015s, Tm =0. 0025s 总飞轮力矩：GD2h二62.2设计要求：稳态无静差，电流超调量er,- 5% ：启动到额定转速时的转速 退饱和超调量 10% o系统具有过流、过压爱护.三、理论设计双闭环调速系统总体设计为了同时改善系统的稳态与动态性能，提出了转速调整器ASR与电流调整器ACR 串级联接的双闭环调速系统，分别调整转速和电流。两者之间实行嵌套连接，且 都带有输出限幅电路。转速调整器ASR的输出限幅电压打算了电流给定电压 的最大值；电流调整器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输 出电

7、压图3-1双闭环调速系统的原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调整器、电流调整器、三相集成触发 器、三相半波整流、电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波 电抗器，以抑制电流脉动，消退因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩 对生产机械的不利影响。如图32所示，为双闭环调速系统的动态结构框图，即把转速调整器的输出 当做电流调整器的输入再用电流调整器的输出去掌握其他的。由于电流检测信号中常含有沟通重量，为了不使它影响到调整器的输入，需 加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数图 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制沟通重量的同时，滤波环

8、节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一 个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电 压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Q表示，依据和电流环一 样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调整器，然 后把整个电流环看作是转速调整系统中的一个环节，再设计转速调整落。图3-2双闭环调速系统动态结构图框图1.1 、设计电流调整器含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调整器原理图如下图所示。图中 为电流给定电压，为电流负反馈电压，调整器的输出就是电力电子变换器的掌

9、握 电压Uco依据运算放大器的电路原理，可以简洁地导出给定滤波和反馈滤波的PI型电流调整器确定时间常数1）、整流装置滞后时间常数Ts=（）.OO172）、电流滤波时间常数Ti=0.0025s3）、电流环小时间常数 TekTs+T。i=0.0017+0.0025=0.00422. 2选择电流调整器结构依据设计要求。工5% 并保证稳态无静差，可按典I型PI调整器2. 3计算电流调整超前时间常数T i=TL=0. 012b5% 时应取 KiRi=0.52. 4校验近似条件电流环截止频率公，=K/ = 119 1）、校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件=196.13行3x0.0017满意近似条件2）、

10、校验忽视反电动势对电流环动态影响的条件sj=3xj!=79.03V T.nV 满意近似条件3）、校验电流环小时间常数近似处理条件-= - I- 1-161.73 V TsToi3 V 满意近似条件3. 2. 5计算调整器的电阻和电容依据上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能之便为0, =4. 3%5队满意设计要求3.3转速环设计含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调整器原理图如下图所示，图中为转速 给定电压，为转速负反馈电压，调整器的输出是电流调整器的给定电压。转速调整器参数与电阻、电容值的关系为给定滤波和反馈滤波的PI型转速调整器其中是给定输入an是转速反馈输入Ut是调整的输出是电流调整器的给定

11、 输入3. 3.1确定时间常数11）、电流环等效时间常数K。已取产0.5则2）、转速滤波时间常数Ton.取Ton=0.015S3）、转速环小时间常数T,按小时间常数近似处理，取选择转速调整器结构依据设计要求，并保证稳态无静差，可按典I型PI调整器3. 3. 3计算转速调整器参数取h=6,则ASR的超前时间常数为可求得转速环开环增益可求的ASR的比例系数为3. 3. 4检验近似条件1）、电流环传递函数简化条件2）、转速环小时间常数近似处理条件3. 3. 5计算调整器的电阻和电容3. 6超调相关计算1）校核转速超调量当h=6时，查表得，0广37. 6队 不能满意设计要求，实际上，由于表是按 线性系

12、统分析的，突然加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应当按ASR退饱和的状况重新计算超调量。2）退饱和超调量的计算当h=6时，由表查得隹酒=81.2%,CbCeAC(x)(2-z)G308*0.18=2*81.2%*1.5* 0196 0,021610000.12=12. 210/%满意设计要求四、系统建模及仿真试验4. 1 MATLAB仿真软件介绍MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视 化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和Simulink两大部分。它将数值分析，矩阵计算、科学数据可视化以及非线性

13、 动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表 了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用 软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、 实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等, 主要应用于工程计算、掌握设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融 建模设计与分析等领域。MATLAB具有以下六个特点：1 .编程效率高.用户使用便利2 .扩充力量强.语句简洁，内涵丰富3 .高效便利的矩阵和数组运算.便利的绘图功能4. 2仿真建

14、模及试验4. 2.1单闭环仿真试验单闭环调速指标要求不高的场合一般采纳单闭环转速负反馈作为调速方案，并且 选用P1调整器，解决系统动态稳定性和静态精度之间的冲突，同时设置电流截止 环节以防止起动电流的冲击。图4-1单闭环直流调速系统模拟仿真图图4-2单闭环仿真结果图图4-3给定为额定值时的图图4-4是给定小于额定时的图由上图两图进行比较可以得出，在单闭环调速系统中给定不同就会使系统达到平衡时所需要 的时间不同，给定靠近额定值时达到平衡时间就短，可以看出有静差调速系统的转速对于给 定电压具有很好的跟随性，给定电压越大，最终转速越高。且动态模型中，转速会渐渐趋于 稳定。4. 2.2电流环仿真试验图

15、4-5电流闭环模拟仿真图 图4-6电流闭环仿真结果图在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于v = L5x308 = 462淇缘由是电流调整系统受到电动机反电动势的扰动，所以系统做不到无静差，而是Id低于1dm4. 2.3双闭环仿真试验本设计运用Matlab的Simulink来对系统进行模拟仿真。依据直流双闭环调 速系统的实际动态结构框图以及上面计算出的系统参数，可以建立直流双闭环调 速系统的动态仿真模型，如图3-2所示。系统运行，空载及突加额定负载时得到 系统的电流和转速仿真曲线，图4-7直流双闭环调速系统的实际动态结构框图图4-9双闭环系统主通道上未加扰动的仿真结果图图4-8MATLAB仿真

16、框图图4-1（）双闭环系统主通道上增加加扰动的仿真结果图 转速、电流反馈掌握直流调速系统的动态过程分析如下： 1、起动过程分析对于系统而言，被控对象是速度。从图4-9的仿真结果可以看到，电流Id 从零长到Ichn.然后在一段时间内维持不变等于1dm,以后又下降并经调整后达到 稳态值IdL.转速波形先是缓慢提升，然后以恒速提升，产生超调后，到达给定值。 从电流与转速变化过程分为电流提升、恒流升速和转速调整三个阶段，转速调整 器在此三个阶段中经受了快速进入饱和、饱和及退饱和三种状况。1）、电流提升阶段2）、恒流升速阶段3）、转速调整阶段2、动态抗扰性能分析1）、抗负载扰动2）、抗电网电压扰动从图4

17、-10可知：在双闭环系统中，由于增加电流环，电流波动可以通过电 流反馈得到比较准时的调整，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因此使抗扰 性能得到改善。因此，在双闭环系统中，由于电网电压波动引起的转速变化会比 单闭环系统小得多。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性、转速 超调、准时间最优化。反馈回路增加扰动图4-11 MATLAB仿真框图图4-12双闭环系统反馈通道上增加加扰动的仿真结果图图4-13双闭环系统反馈通道上增加加扰动的仿真结果图从图4-12的仿真结果可以看到，电流Id从零长到1dm.然后在一段时间内维持 不变等于1dm,以后又下降并经调整后达到稳态值IdL

18、.转速波形先是缓慢提升，然 后以恒速提升，产生超调后，到达给定值。然后在反馈回路突加干扰系统就会消 失上图的状况，图4-13是当系统还没有达到稳定是给反馈回路加扰动没有产生 图4-12的状况。五、总结通过对图4-9图4-1()图4-11图4-13图4-14的分析和对比，还有就是通过 对单闭环和双闭环系统的分析和对比，我们可以看出双闭环系统的稳定性比单闭 环系统稳定，调速性能也比较好，双闭环系统对系统的干扰的抑制比较好，在主 回路上的干扰可以通过系统进行抑制，而反馈回路上的干扰不能被抑制。通过上 述仿真可以得出转速调整器是调速系统的主导调整器，它使转速n很快地跟随给 定电压变化稳态时可以减小转速

19、误差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值打 算电动机的最大电流。电流调整器作为内环对电网电压的波动起准时抗扰的作 用，在转速动态过程中，保证获得电动机的最大电流，从而加快动态过程，当电 动机过载时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动爱护作用。一旦故障消逝， 系统马上自动恢复正常，这个作用对系统的牢靠运行来说是非常重要。六、心得体会课程设计是培育同学综合运用所学学问，发觉，提出，分析和解决实际问题，熬 炼实践力量的重要环节，是对同学实际工作力量的详细训练和考察过程。随着科 学技术进展的口新月异，双闭环直流调速已经成为当今电机调速系统应用中空前 活跃的领域，在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一

20、世纪的高校来说把 握双闭环直流调速技术是非常重要的。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践， 在将近一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不 仅巩固了以前所学过的学问，而且学到了很多在书本上所没有学到过的学问。通 过这次课程设计使我懂得了只有理论学问是远远不够的，只有把所学的理论学问 与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的 实际动手力量和独立思索的力量。在设计的过程中遇到了很多问题，同时也发觉 了自己的不足之处，意识到自己对以前所学过的学问理解得不够深刻，把握得不 够坚固，了解到理论学问与实践相结合的重要意义，学

21、会了坚持、急躁和努力， 这也将为我今后的学习和工作产生乐观的影响。在小组同学的热忱关心下，在指 导老师的急躁讲解下，我学会了 MATLAB软件的调试和使用，顺当的完成了这 次课程设计。在这次课程设计中，我遇到过很多困难，当这个困难得到解决时事多么的兴 奋。其实这次课程设计最为关键的是调试，前期的预备我只花了很短一段时间就 把全部的参数和框图弄完，接下来最难得事就是对整个系统进行调试，仅仅调试 我就花了两天的时间，在这其中遇到好多的困难，比如限幅开头没有考虑到限幅 问题，全部花了很多时间都没有调试出来。但是我调试出来只能给定为1,当我 增加给定时，结果就不行啦，我就是想不通，我又查相关的资料，我

22、最终发觉是 我的积分环节限幅值太小，后面我加大限幅就达到设计要求，此时的我是多么有 成就感最终搞定。由于水平有限，在设计中难免存在很多不妥之处，敬请老师指正。同时，对 给过我关心的全部同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献1、计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的掌握系统/李国勇，谢克强，杨丽娟， 编著.-2版.北京：电子工业出版社，20222、李发海,王岩.电机拖动基础.第3版.清华高校出版社,2005.83、杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华高校出版社，20064、阮毅.电力拖动自动掌握系统.北京：机械工业出版社，20225、李华德，李擎，白晶.电力拖动自动掌握系统.北京：机械工业出版社，20226、陈伯时，阮毅.电力拖动自动掌握系统.北京：机械工业出版社，2022