直流电动机双闭环控制系统课程设计

课程设计题目：直流电动机双闭环控制系统学院计算机科学与信息工程专业年级13自动化2班学生姓名庞超明学号2013133231指导教师吴诗贤职称讲师日期2016-11-30第1页（共18页）目录摘要................................................................................................................................................................2一、设计任务................................................................................................................................................31、设计对象参数...................................................................................................................................32、课程设计内容及要求.......................................................................................................................3二、双闭环直流调速系统结构图.................................................................................................................41、整流装置的选择...............................................................................................................................42、建立双闭环调速系统原理结构图...................................................................................................4三、电流环和转速环的工程设计.................................................................................................................51、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图...................................................................................52、电流环设计......................................................................................................................................62.1电流环结构框图.....................................................................................................................62.2电流调节器结构的选择..........................................................................................................62.3电流调节器参数的计算..........................................................................................................73、转速环的设计...................................................................................................................................93.1转速环结构框图......................................................................................................................93.2转速调节器结构的选择..........................................................................................................93.3转速调节器的参数计算........................................................................................................10三、双闭环控制系统仿真............................................................................................................................111、系统仿真模型..................................................................................................................................112、动态性能分析.................................................................................................................................14四、总结......................................................................................................................................................16参考文献......................................................................................................................................................17第2页（共18页）摘要本设计通过分析直流电动机双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。最后用MATLAB软件中的Simulink模块对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。关键词：直流电动机双闭环MATLAB/Simulink仿真第3页（共18页）一、设计任务1、设计对象参数系统中采用三相桥式晶闸管整流装置；基本参数如下：直流电动机：220V，136A，1500r/min，Ce=0.15V/(r.min-1)，允许过载倍数1.5。晶闸管装置：Ks=50电枢回路总电阻：R=0.6Ω时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.2s反馈系数：α=0.007V/(r.min-1)，β=0.05V/A反馈滤波时间常数：τoi=0.002s，τon=0.002s2、课程设计内容及要求2.1建立双闭环调速系统的模型；绘出结构图。2.2电流环和转速环的工程设计。2.3利用Simulink建立仿真模型（须有较为详细的建模过程说明），并分析系统的动态性能。2.4调试分析过程及结果描述。列出主要问题的出错现象、出错原因、解决方法及效果等；2.5总结。包括课程设计过程中的学习体会与收获等内容。第4页（共18页）二、双闭环直流调速系统结构图1、整流装置的选择转速调节器与电流调节器串级联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制三相桥式晶闸管整流装置。目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示。图1三相桥式全控晶闸管整流装置2、建立双闭环调速系统原理结构图转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单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。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求了。理想快速启动过程电流和转速第5页（共18页）为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设置两个调节器，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。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图2所示。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；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图2直流电动机双闭环控制系统的原理结构图三、电流环和转速环的工程设计1、直流双闭环调速系统的实际动态结构框图第6页（共18页）2、电流环设计2.1电流环结构框图图32.2电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图3可以看出，采用Ⅰ型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型Ⅰ型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成：式中iK——电流调节器的比例系数；i——电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择ilT则电流环的动态结构框图便成图4所示的典型形式，其中：图4(1)()iiACRiKsWss第7页（共18页）2.3电流调节器参数的计算（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数sT。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间0.0017sTs。2）电流滤波时间常数oiT。根据初始条件有oiT=0.002s。3）电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取0.0037isoiTTTs0.0037。表1各种整流电路的失控时间（50fHZ）整流电路形式最大失控时间max()sTms平均失控时间()sTms单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.33