电力拖动课程设计--转速单闭环直流系统的仿真

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课程设计说明书(论文) 题目转速单闭环直流系统的仿真

课程名称电机控制设计

院系

专业电气工程及其自动化

班级

学生姓名

学号

设计地点

指导教师

课程设计任务书

课程名称电机控制技术

(院系.部中心)

专业电气工程及其自动化

班级

起止日期

指导教师

1、陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统.北京：机械工业出版社，

2003.7

2、电机学

3、电机拖动

5．课程设计进度安排

起止日期工作内容

2012.6.17 -6.28 2012.6.17-6.18 2013.6.19-6.20

2013.6.20-6.22

2013.6.23-2012.6.24(1)审题、选题

(2)系统原理、结构框图的设计

(3)系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序周末，自行安排

周末，自行安排

(4)系统仿真结果分析及结论

(5)完整的设计报告

一、摘要

《运动控制系统》是自动化专业专业的一门主要专业课。课程的主线是控制系统的原理和设计，应该通过理论和实际相结合，应用自动控制系统

理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题，在运用中注重控制规律。

本文通过利用Matlab 仿真平台设计单闭环直流调速系统，，包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink 仿真模型，验证所设计系统的性能、根据设计任务书的具体要求给出所设计系统的性能指标：上升时间r t 、超调量%p 、调节时间s t 、最大启动电流m ax d I 、稳态误差ss e 。从而使学生更系统地掌握所学知识并能够应用运动控制系统设计规范、计算手册和计算机辅助设计软件进行运动控制系统的结构设计和参数计算。

二、总体方案设计

1、控制原理

根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。

所以，设计如下的原理图：

图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，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。

这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。

所以，更具体的原理图如下：

图2、单闭环直流调速系统具体原理图

2、控制结构图

有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图。

图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图

同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。

由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节

是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。

所以，可以得到如下的框图：

图4、单闭环直流调速系统动态结构框图

三、参数计算

设计完系统框图，就可以用已知的传递函数结合设计要求中给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算。以便于后续步骤利用经典控制论对系统的分析。

为了方便以下的计算，每个参数都采用统一的符号，这里先列出设计要求中给出的参数及大小：

电动机：P N=10kw U N=220v I dN=55A n N=1000rpm R a=0.5Ω

晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230v K s=44

主回路总电阻：R=1Ω

测速发电机：P Nc=23.1kw U Nc=110v I dN=0.21A n Nc=1900rpm

系统运动部分：飞轮矩GD2=10Nm2

电枢回路总电感量：要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续

1

2、动态参数设计计算

在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传函，所以要求出传函并根据已知求的传函中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。

由图4，得系统开环传函

其中,T s 晶闸管装置滞后时间常数

T m 机电时间常数 T l ：电磁时间常数

○

1主电路电感值L 根据要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续。

结合抑制电流脉动的措施中关于L 的讨论，得：

)

1)(1()(m 2m s +++=

s T s T T s T K

s W l

公式：

其中，整流变压器副边额定相电压（二次相电压）

得：L=0.017H

○2其他未知参数计算 电磁时间常数

机电时间常数

对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 T s = 0.00167 s

系统传函为：

四、稳定性分析

稳定是系统首要的条件，一切的分析只有建立在稳定的基础上才有意义。

1、基于经典自控理论得分析 根据系统闭环传函

特征方程

1

11)(1)1()1)(1(/1)1)(1(/)(s m 2s m 3s m e s p m 2m s e s p m 2m s e s p c +++++++++=

+++++++=s K T T s K T T T s K T T T K C K K s T s T T s T C K K s T s T T s T C K K s W l l l l l α））（（）（1s 075.0s 001275.01

s 00167.058.55s W 2+++=

s

075.01925

.0301925.03750

.110375m e 2m =⨯⨯⨯⨯==π

C C R G

D T s 017.00

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T l V 8.1323230

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