运动控制系统课程仿真课程设计报告书

目录
一、课程设计系统概述 (1)
1.1课程设计项目参数 (1)
1.2课程设计要求： (1)
1.3课程设计设计任务 (2)
1.4.稳态分析及参数设计计算 (2)
1.4.1静态参数计算 (2)
1.4.2.动态参数计算 (3)
1.4.3稳定性分析 (4)
1.4.4系统校正 (4)
1.4.5.控制结构图 (5)
二、MATLAB仿真设计 (6)
三、总结 (10)
四、参考文献 (10)
一、课程设计系统概述
1.1课程设计项目参数
1)电动机：额定数据为PN=10kW，UN=220v，IN=52A，nN=1460r/min，电枢电阻RS=0.5Ω,飞轮力矩GD2=10N.m2。

2)晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压U2l=230v,触发整流环节的放大系数Ks=40。

3)V-M系统主电路总电阻R=1Ω。

4)测速发电机：永磁式，ZYS231/110型；额定数据为23.1w，110v，0.18A，1800r/min。

5)系统静动态指标：稳态无静差，调速指标D=10，s≤5%
6)电流截止负反馈环节：要求加入合适的电流截止负反馈环节，使电动机的最大电流限制（1.5-2）I N。

（选座）
7)给定电压Un*=15V。

1.2课程设计要求：
（1）根据题目要求，分析论证确定系统的组成，画出系统组成的原理框图；
（2）对转速单闭环直流调速系统进行稳态分析及参数设计计算；
（3）绘制系统的动态结构图；
（4）动态稳定性判断，校正，选择转速调节器并进行设计；
（5）绘制校正后系统的动态结构图；
（6）应用MATLAB软件对转速单闭环直流调速系统进行仿真，验证所设计的调节器是否符合设计要求；
（7）加入电流截止负反馈环节；（选做）
（8）应用MATLAB软件对带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统进行仿真，完善系统；
1.3课程设计设计任务
（1）系统组成原理框图
根据设计要求，所设计的系统为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，用变电压调节方式，实现对直流电机的无极调速。

所以设计原理图如下：
图2-1单闭环直流调速系统原理图
转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变化器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。

1.4.稳态分析及参数设计计算
1.4.1静态参数计算
(1)空载到额定负载的速降
由错误!未找到引用源。

可得：
(2)系统开环放大倍数K
错误!未找到引用源。

=错误!未找到引用源。

=0.1329Vmin/r
(3)测速反馈环节放大系数α
测速发电机电动势系数
α=0.01158
(4)运算放大器的放大系数Kp
错误!未找到引用源。

取15代入原式的K=52.28
1.4.
2.动态参数计算
(1)主电路电感值L
当主回路电流为额定值10%时，电流仍连续。

(2)电磁时间常数
(3)机电时间常数
由以上时间常数可得系统传递函数为：
1.4.3稳定性分析
判稳条件：
又K取值为52.28所以系统稳定。

1.4.4系统校正
使用PI调节器校正为典型一型系统：
典型一型系统：
用PI调节器校正时，设调节器函数：
令错误!未找到引用源。

=0.02其他两个小惯性环节等效为一个惯性环节: 1/(（0.00167s+1）(0.14s+1))=1/(0.14167s+1)
则T=0.14167，错误!未找到引用源。

，KT=0.5，K=3.5，
Kp=0.
i=/Kp=0.87
1.4.5.控制结构图
单闭环直流调速系统稳态结构图如下图所示：
图2-2 单闭环直流调速系统稳态结构图
放大环节可以看成纯比例环节，按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看做一阶惯性环节，额定励磁下的直流电机是一个二阶线性环节。

系统动态图如下图所示。

图2-3单闭环直流调速系统动态结构图
二、MATLAB仿真设计
图2-1纯比例调节的仿真模型
图2-2理想转速波形
图2-3电枢电流波形
由上图可知虽然转速最终稳定，但超调量比较大。

所以应加入比例积分调节。

PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例（P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

在SIMULINK中建立加入PI调节器的转速环仿真模型如下图所示：
图2-4加入PI调节器的转速环仿真模型
将计算好的参数输入到相应的模块中点击仿真按钮并双击Scope模块就可以显示仿真结果，转速波形和电枢电流波形如下图所示：
图2-5转速仿真波形
图2-6
静差率(转速变化率)是指电动机在一定转速下运行时，负载由理想空载变到额定值时所产生的转速降落与理想空载转速之比值。

应该以最小的空载速率为准。

这样的静差率才是有效的，其又称相对稳定性，用来表示负载变化时的电动机转速变化的程度，它与机械特性硬度有关，该数值越小，说明电机稳定性越好。

根据波形可计算得
符合设计要求
电枢电流波形如下图所示：
图2-7 电枢电流波形
对电枢电流施加扰动时结构图如下图所示：
图2-8
施加扰动后转速波形如图2-9所示：
图2-9施加扰动后的转速波形施加扰动电流波形如图2-10所示：
图2-10施加扰动后的电流波形
由仿真波形分析可知，PI调节器通过比例环节反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分常数，越大，积分作用越弱，反之越强。

因而对电流扰动具
有抑制作用。

三、总结
通过这次课程设计，让我更进一步了解了运动控制原理这门课程的重要性，让我学习到了更多新的知识，比如Matlab的使用；或者复习了之前已经掌握的，但又重新复习的新的知识，比如自动控制原理。

在这次亲身实践中，更加锻炼了我的学习钻研能力和克服困难的能力。

本设计为单闭环直流调速系统，首先介绍了直流电机的调速和发展；其次介绍了直流电动机的调速指标和特性；再次介绍了转速负反馈直流电机的调速；最后，运用MATLAB进行了仿真和调试。

通过仿真和调试使系统最终达到稳定状态。

当然，系统还存在一定的不足，由于用到的是单闭环控制，所以在调速的过程中，系统的稳态性能还不尽如意，在一定的调速围能满足要求，而在一些要求比较高的系统中，就很难实现，此时就应该采用双闭环控制。

最后，感谢吕庭老师的辛勤教学和周围同学的热情帮助，不然我也不能收获到如此多的学习经验。

四、参考文献
[1] 建兴.可编程序控制器应用技术[M].北京:机械工业,2004.
[2] 伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业,2000.
[3] 吴俐君. 电力拖动自动控制系统实验[M]. :中国矿业大学出版社,2002.
[4] 郝力文 , 王子文 . 车间运输小车的智能控制 [J]. 机械 ,2001 年 ,28( 增刊).
[5] 自动控制原理及设计
[6] 工程船舶特种机械电力拖动
[7] 电动机调速原理及系统
[8] 自动化装置元件及其动态特性
[9] 船舶电气工学便缆〔陆道政季新宝著〕〔吴斐文著〕〔兴瑶著〕 [苏 A.N 塔纳塔尔著」〔日〕。