转速单闭环调速系统设计

目录

第1章概述 (1)

1.1 转速单闭环调速系统设计意义 (1)

1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 (1)

第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2)

2.1 原系统的工作原理 (2)

2.2 原系统的动态结构图 (3)

2.3 闭环系统的开环放大系数的判断 (3)

2.4 相角稳定裕度γ的判断 (4)

第3章调节器的设计及仿真 (5)

3.1 调节器的选择 (5)

3.2 PI调节器的设计 (5)

3.3 校正后系统的动态结构图 (8)

3.4 系统的仿真结构图及测试结果 (8)

第4章课程设计总结 (9)

参考文献 (1)

转速单闭环调速系统设计

1、概述

1.1 转速单闭环调速系统设计意义

为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器.

反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负

反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标，

就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要

想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环

调节系统。

1.2 转速单闭环调速系统的设计要求

电动机参数：P N =3KW, N n =1500rpm,U N =220V,I N =17.5A,Ra=1.25Ω。主回路总电阻R=2.5Ω，电磁时间常数T l =0.017s,机电时间常数Tm=0.075s 。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数α=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 设计要求： （1）闭环系统稳定

（2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 设计任务：

（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计；

（3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。

2、原系统的动态结构图及稳定性的分析

2.1 原系统的工作原理

简单闭环控制系统是指控制器与受控对象之间既有顺向作用又有一个反馈作用的控制系统，实际工程中通常是负反馈闭环控制。工程领域的恒值控制系统通常是单闭环控制系统。例如：水塔的水位控制系统；电源恒压调节系统；电冰箱的恒温调节系统；加热炉的炉温控制系统；测速反馈的单闭环控制系统等。单闭环控制系统是最重要最基本的结构组成。

引入转速负反馈信号以后，放大器的输入信号是给定信号*

n U 和反馈信号n U 之差，即

n n n U U U -=∆*

。当电动机负载增加时，电枢电阻压降必然增大。若是开环系统，电动机转

速只能下降，但是在闭环系统中，转速稍有降落，反馈电压n U 随之下降，接着是

↑↑→↓→↑→↑→∆n U U U d ct n α

上述调节过程是当负载增加（或降低）时，相应地整流电压d U 就提高（或减小），从而补偿掉电动机电枢回路电阻电压的增量，维持电动机反电势E （或转速n ）几乎不变。

转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。一，只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。二，反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。三，系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。图2.1是用集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统。

图2.1转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图

2.2 原系统的动态结构图

转速负反馈闭环控制系统动态结构框图。如图2.2：

)(*s U n 100167.040

+s

1

075.0001275.058

.72++s s

07.0

2.5(1017.0+s )

)

(s I dL

)

(s U n ∆

)(s U C

)(0s U d )(s n

Kp

图2.2 转速负反馈闭环控制系统动态结构框图

2.3 闭环系统的开环放大系数的判断

电动机参数：P N =3KW, N n =1500rpm,U N =220V,I N =17.5A,Ra=1.25Ω。主回路总电阻R=2.5Ω，电磁时间常数T l =0.017s,机电时间常数Tm=0.075s 。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数α=0.07。调速指标：D=30，S=10%。

三相桥式电路的失控时间Ts=0.00167s 。 系统稳定条件为：

42.4900167

.0017.000167.0)00167.0017.0(075.0)(2

2=⨯++⨯=++

而按照稳态性能指标要求，额定负载时闭环系统稳态速降应为：

min 56.5min )

1.01(301

.01500)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=

∆

脉宽调速系统饿开环额定转速为： 先计算电动机的电动势系数

r V n R I U C N a N N e min 132.01500

25

.15.17220⋅=⨯-=-=

min 44.331min 132

.05

.25.17r r C R I n e N op =⨯==

∆ 为了保持稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数应满足

6.58156

.544

.3311=-≥

-∆∆=

cl

op n n K 显然，系统不能在满足稳态性能的条件下运行。

2.4 相角稳定裕度γ的判断

未校正前的系统的开环传函为 )))

(((10167.01026.01049.058

.55)(+++=s s s s W

其Bode 图为图2.3所示

图2.3 校正前的伯德图

由图2.3可知相角稳定裕度γ和增益裕度GM 都是负值，所以原闭环系统不稳定。