35自动控制系统课程设计模板

DS18B20水温自动控制系统班级：电气10-5学号：2号姓名：王健指导教师：张秀目录1绪论………………………………………………………………12本设计的主要研究内容……………………………………………………1建立系统的数学模型…………………………………………………………1经典控制部分………………………………………………………………2仿真部分………………………………………………………………………2双闭环调速系统的工作原理及数学模型数学模型的参数测定…………………………………………………………4测定电枢回路的电磁时间常数TL………………………………………………测定电力拖动系统机电时间常数Tm…………………………………………………9测定触发和整流装置的放大倍数KS………………………………………11双闭环调速系统的工作原理……………………………………………16转速控制的要求和调速指标调速系统的两个基本矛盾调速系统的双闭环调节原理双闭环调速系统的起动过程分析转速和电流两个调节器的作用双闭环调速系统主电路的数学模型2.3.1主电路及其化简课程设计说明书NO.11课程设计的目的《自动控制系统课程设计》是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是使学生巩固和加深课程的理论知识，结合实际，融会贯通。进一步培养学生独立分析和解决实际工程技术问题的能力。充分发掘自身的潜力，开拓思路设计双闭环直流调速系统。并掌握其系统的组成、工作原理、调节器的设计及Simulink仿真等内容，同时在计算、绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为今后的学习工作奠定基础。2课程设计的主要内容2.1系统的组成如图1所示，为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），二者之间实行嵌套（或称串级）连接，且都带有输出限幅电路。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器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。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统[1]。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子变换器，*nU为转速给定电压，nU为转速反馈电压，*iU为电流给定电压，iU为电流反馈电压。图1双闭环直流调速系统课程设计说明书NO.22.2系统的工作原理如图2所示，图中标出了两个调节器输入输出的电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。在启动过程中由于外环很快达到饱和，只有电流负反馈起作用，此时相当于在最大允许起动转矩的情况下进行恒流起动，系统能获得最大的加速度，且电流和转速负反馈分别加到两个调节器的输入端，到达稳态转速后，转速环起作用，系统进行转速调节，使转速稳定，此时电流环只起跟随作用，这样就可以实现准时间最优控制，使系统能够获得良好的静、动态性能。图2双闭环直流调速系统电路原理图2.3系统的静特性分析双闭环直流调速系统的稳态结构如图3所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm[1]。分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出达到限课程设计说明书NO.3幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压△U在稳态时为零。图3双闭环直流调速系统的稳态结构图——转速反馈系数——电流反馈系数2.4系统的动态过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态起动过程如图4所示。由于在启动过程中，转速调节器ASR历经了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分为图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。第Ⅰ阶段是电流上升阶段。第Ⅱ阶段是恒流升速阶段。第Ⅲ阶段是转速调节阶段。图4双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形课程设计说明书NO.4双闭环直流调速系统由直流电动机环节、功率驱动环节、电流转速控制环节共同构成，通过推导可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如图5所示。双闭环直流调速系统为了实现转速和电流两种负反馈的作用，分别设置了转速调节器ASRW和电流调节器ACRW。两个调节器一般都采用PI调节器，ASRW在实际运行中可能处于不饱和、饱和两种状态。其次，双闭环调速系统包含可电流、转速两个控制回路，所以系统不能简单地用线性控制理论分析[2]。用工程设计的方法来设计转速、电流双闭环直流调速系统的两个调节器，应按照设计多环控制系统“先内环后外环”的一般原则。从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。双闭环直流调速系统的动态结构图如图5所示，图中增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。有测速发电机得到的转速反馈电压含有换向文波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根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Ton的给定滤波环节。图5双闭环直流调速系统的动态结构图2.5电流调节器的设计整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1000r/min，eC=0.192V·min/r，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=44；电枢回路总电阻：R=1；课程设计说明书NO.5时间常数：Tl=0.0167s，Tm=0.075s；电流反馈系数：=0.05V/A（≈10V/1.5IN）。设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量i≤5%。（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts=0.00167s。电流滤波时间常数Toi。三项桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.00367。（2）选择电流调节器结构根据设计要求i≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：WACR（s）=ssKiii)1(检查对电源电压的抗扰性能：ilTT≈00367.00167.0≈4.55，各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：liT=0.0167s。电流环开环增益：要求i≤5%时，应取iITK=0.5，因此KI=iT5.0=00367.05.0s1≈136.2s1于是，ACR的比例系数为iKsiIKRK=05.0*441*0167.0*2.136≈1.034课程设计说明书NO.6（4）校验近似条件电流环截止频率：IciK=136.2s1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件sT31=00167.0*31s1≈199.6＞ci满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3lmTT1=3*075.0*0167.01s1≈84.8＜ci满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件31oisTT1=31*002.0*00167.01s1≈182.4s1＞ci满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图所示，按运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值计算如下：0RKRii1.034*40k=41.36k取40kCiiiR310*410167.0=0.41F取0.4FC04RToioi310*40002.0*4=0.2F取0.2F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%≤5%满足设计要求课程设计说明书NO.7图6含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.6转速调节器的设计除电流调节器的设计中已给出数据外，已知：转速反馈系数=0.01V·min/r，要求转速无静差，空载起动到额定转速时转速超调量n≤10%。（1）确定时间常数电流环等效时间常数IK1。由电流调节器的设计，已取iITK=0.5，则IK1=2Ti=2*0.00367s=0.00734转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机的波纹情况，取Ton=0.01s。转速小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取Tn=IK1+Ton=0.00734+0.01=0.01734（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：WASR（S）=ssKnnn)1(（3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为nnhT=5*0.01734=0.0867s课程设计说明书NO.8转速环开环增益为KN=2221nThh=2201734.0*5*26s2≈399.1s2ASR的比例系数为Kn=nmehaRTTCh2)1(=01734.0*1*01.0*5*2075.0*192.0*05.0*6≈2.5（4）检验近似条件转速环截止频率为1NcnK=KNn=399.1*0.0867s1≈34.6s1电流环传递函数简化条件31iITK=3100367.02.136s1≈64.2s1＞cn满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件31onITK=3101.02.136s1≈38.9s1＞cn满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图7所示，取R0=40k，则0RKRnn2.5*40k=100k取100kCn=nnR=310*1000867.0F≈0.867F取1FCon=04RTon=310*4001.0*4≈1F取1F（6）校核转速超调量当h=5时，n=37.6%，不能满足设计要求。按ASR退保和的情况重新计算超调量。课程设计说明书NO.9（7）退饱和时转速超调量的计算n=2（bCCmax）（z）*nnNmnTT=2*81.2%*1.5*075.001734.0*1000192.01*136≈8.98%＜10%满足设计要求图7含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.7电流环的仿真电流环的仿真模型如图8所示，其中晶闸管整流装置输出电流可逆。图8电流环的仿真模型图9（a）的PI参数是根据上述电流环设计的结果设定的，参数关系是KT=0.5。在此基础上，利用图8的仿真模型，可以观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势，找到符合工程要求的更合适的参数。以KT=0.25的关系式按典型Ⅰ系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为0.517+s958.30，很快地得到了电流环的阶跃响应课程设计说明书NO.10的仿真结果如图9(b)所示，无超调，但上升时间长；以KT=1.0的关系式得到PI调节器的传递函数为2.068+s832.123，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图9(c)所示，超调大，但上升时间短。KT=0.5时的超调量ia=192192200=4.2%KT=0.25时的超调量ib=192192192=0%KT=1.0时的超调量ic=192192237=23.4%图9（a）、(b)分别给定KT=0.5和KT=0.25时的阶跃响应曲线，可以看出，给定量不同时，对应超调量过渡过程时间不相同。给定KT=0.25时，过渡过程时间约为0.2s，超调量为0；而当给定KT=0.5时，过渡过程时间约为0.4s，超调量约为4.2%。可见随着KT的增大，过渡过程时间和超调量都变大。KT过大时，系统的动态性能满足不了使用要求的需要。图9(a)电流环的仿真结果课程设计说明书NO.11图9(b)无