单闭环无静差直流调速系统的时域分析

邢台学院物理系

《自动控制理论》课程设计报告书

设计题目：单闭环无静差直流调速系统的时域分析

业：专自动化

：级班学生姓名:

:学号

：指导教师

日24 月3 年2013．

邢台学院物理系课程设计任务书专业：自动化班级：

日月年

摘要

单闭环无静差直流调速系统是把转速作为系统的被调节量，通过对给定电压的控制来实现对电动机转速控制的调速系统。它能够检测误差，纠正误差，有效地解决调速范围与静差率的矛盾，抑制消除扰动造成的影响，并且采用了比例积分调节器，从而实现了无静差调速。由于其优良的调速性能，在工农业生产中获得了广泛的应用，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。

本次课程设计以单闭环无静差直流调速系统为例，研究控制系统的性能，并对单闭环无静差直流调速系统进行时域分析。

调节时超调量时域分析：单闭环无静差直流调速系统关键词

目录

1单闭环无静差直流调速系统简介 (1)

1.1 系统原理 (1)

1.2 系统的整体设计 (1)

1.3电流截止负反馈简介 (2)

1.4各环节简介及传递函数 (3)

1.4.1比例积分放大器 (3)

1.4.2晶闸管整流器 (4)

1.4.3额定励磁下的直流电动机 (5)

2单闭环无静差直流调速系统的时域分析 (7)

2.1 系统动态结构图 (7)

2.2 动态性能分析 (8)

2.3稳态性能分析 (10)

3基于MATLAB的时域分析 (10)

4总结体会 (14)

(14)

. 献文考参．

1单闭环无静差直流调速系统简介

系统原理1.1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。在本设计中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反

馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较U，用作

控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后经放大后，得到移相控制电压c加到晶闸管的门

极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的

转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）

调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的

转速能稳定在一定的范围内变化。

系统的整体设计1.2

单闭环无静差直流调速系统调速系统原理图 1

1.3电流截止负反馈简介

直流电动机全电压起动时，如果没有采取专门的限流措施，会产生很大的冲击电

流，这不仅对电动机换向不利，对于过载能力低的晶闸管等电力电子器件来说，更是不允许的。系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制的基本概念，要维持某个物理量基本不变，只要引入该物理的负反馈就可以了。所以，引入电流负反馈能够保持电流不变，使它不超过允许值。但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减。这种当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫做电流截止负反馈。

直流调速系统中的电流截止负反馈环节如下图所示，电流反馈信号取自串入I为临界的截止电正比于电流。设电动机电枢回路中的小阻值电阻，RRI dcrs s d I时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于流，当电流大于dcr I时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，需引入比较电压，图a中用U dcrcom独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。在与之间串接一个二极管VD，当>时，二极管导通，电流负反馈UIRIRU comdd s com s信号即可加到放大器上去；当时，二极管截止，消失。图b利 UUUIR iicom s d用稳压管VS的击穿电压作为比较电压，线路要简单得多，但不能平滑调UU combr节截止电流值。

2

1.4各环节简介及传递函数

比例积分放大器1.4.1比例积分调节器（PI调节器）可以使系统在无静差

的情况下保持恒速运行实现无静差调速，又可以快速响应控制作用。采用模拟控制时，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路图如下图所示。

PI）调节器比例积分（ PI调节器的传递函数为?s?K1)U(s1picx?(Ws)?K??

pipi??s)sU(s in R1——PI调节器比例放大部分的放大系统；

?K pi R0??RC——PI调节器的积分时间常数。0此传递函数也可以写成如下的形式

??s?11s?11KW?s)?(pipi??ss1???RKC?—PI调节器的超前时间常数。式中111pi在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如下图所示

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PI调节器的输出特性阶跃输入时

输出电压突跳到，由上图可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，以保证一定的快速控制作用。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因为快速性被压低了，换来稳定性的保证。作作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；为校正装置，它又能提高系统的稳定性。

晶闸管整流器1.4.2。1系统），其简单原理图如图—晶闸管整流器—电动

机调速系统（简称VM是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、VT图中U来移动触发脉冲的相位，的控制电压半控、全控等类型。通过调节触发装置GT C U从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管改变可控整流器平均输出直流电压,d

4以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时可控整流器的功率放大倍数在10获得M—间是毫秒级，具有快速控制作用；运行损耗小，效率高；这些优点使V 了优越性能。的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变优点：通过调节触发装置GT 整流电压从而实现平滑调速。 4

缺点：

1．由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。2．元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。

因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。

在理想情况下，U和U之间呈线性关系：dC U=KsU C

d式中 U平均整流电压————d U控制电压————C Ks晶闸管整流器放大系数。————

V—M系统

晶闸管触发与整流装置的近似函数为：