运动控制系统课程仿真课程设计

目录

一、课程设计系统概述 0

1.1课程设计项目参数 0

1.2课程设计要求： (1)

1.3课程设计设计任务 (1)

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 (4)

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

由可得：

(2)系统开环放大倍数K

==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

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=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，，KT=0.5，K=3.5，

Kp=0.023

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