控制系统仿真与设计课程设计报告

《控制系统仿真与设计》课程设计报告

一、目录

摘要 (3)

一、概述 (3)

二、设计任务与要求 (4)

2.1 设计任务 (4)

2.2 设计要求 (4)

三、理论设计 (5)

3.1 方案论证 (5)

3.2 系统设计 (6)

3.2.1 电流调节器设计 (6)

3.2.2 速度调节器设计 (9)

四、系统建模及仿真实验 (11)

4.1 MATLAB 仿真软件介绍 (11)

4.2 仿真建模 (12)

4.3 仿真实验 (12)

五、总结与体会 (15)

参考文献 (15)

摘要

在直流双闭环调速系统教学中, 电流环和转速环参数的简化计算是教学关键环节, 文章针对某双闭环直流调速系统, 进行了参数的详细计算和电流环和转速环的设计, 并采用MA TL AB /SI MULI NK对实际系统进行了仿真, 给出了起动过程中的电枢电流和转速变化的波形, 并对结果进行了分析。结果表明在实验中引入MA TLAB /SI MULI NK仿真是对实际实验的良好补充, 能够加深学生对实验的认识。

关键词：MATLAB；直流调速；双闭环；转速调节器；电流调节器；干扰

一、概述

直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用[2]，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。如在设计过程中使用Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试[4]。Matlab中的动态建模、仿真工具SimuLink具有模块组态方便，性能分析直观等优点，可缩短产品的设计开发过程，也可以给教学提供了虚拟的实验平台。

二、 设计任务及要求

2.1设计任务

设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。

直流电动机参数：

● 额定功率25KW ，额定电压220V ，额定电流136A ，

● 额定转速 1600r/m ，e C =0.132Vmin/r ，

● 允许过载倍数λ=1.5。

● 晶闸管装置放大系数：s K =40

● 电枢电阻：R a =0.5Ω

● 电枢回路总电阻：2Ra=1Ω

● 时间常数：机电时间常数m T =0.18s ， 电磁时间常数l T =0.03s

● 电流反馈系数：β=0.05V/A

● 转速反馈系数：α=0.007v min/r

● 转速反馈滤波时间常数：on T =0.005s ，oi T =0.005s

● 总飞轮力矩：GD 2 =2.5N.m

● h=6

2.2设计要求

⑴ 系统稳态无静差，电流超调量 σi ≤ 5%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 σn ≤ 10％。

⑵ 系统具有过流、过压保护。

三、理论设计

3.1 方案论证

采用转速负反馈和PI调节器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，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值I dm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。

现在的问题是，我们希望能实现控制：

⏹起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；

⏹稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。

为了实现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，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。，把转速调节器 A S R的输出当作电流调节器 A C R的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置 G T ， T A 为电流传感器， T G为测速发电机．从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环，转速调节环在外边，叫做外环，这样就形了转速、电流双闭环调速系

3.2 系统设计

校正环节的设计方法很多，而且是很灵活的，用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互矛盾的静动态性能要求，需要设计者具有扎实的理论基础，丰富的实际经验和熟练的设计技巧。这样初学者往往不易掌握，在工程应用中也不很方便。于是便产生建立更简便实用的工程设计方法。

图 1 电流、转速双闭环直流调速控制系统

3.2.1 电流调节器设计

实际系统中往往有一些小时间常数的惯性环节，它们的倒数都处于对数频率特性的高频段，对它们作近似处理不会显著地影响系统的动态性能。故当系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以将它们近似看成一个小惯性环节，其时间常数等于原系统各小时间常数的和[6]。经过小惯性环节的处理，并且忽略反电动势对电流环的影响，再假定为理想空载即，得电流环简化结构图2所示，