酒精浓度自动监测系统设计

虚拟仪器系统设计报告

设计名称：酒精浓度自动监测系统设计

姓名：学号：

专业班级：自动化14-01

指导教师：

系（院）：信息工程学院

设计时间：2017.05.08~2017.05.19

课程设计成绩评定表（在相应栏目打√）

评价质量

评价项目

优秀良好一般及格不及格工作量和态度

实验、计算可靠性

目录

1 绪论

1.1绪论 (3)

1.2 技术数据 (4)

1.3 设计任务 (4)

2 带电流截止负反馈单闭环调速系统的工作原理 (5)

2.1 单闭环调速系统的组成与原理 (5)

2.2单闭环调速系统的静特性分析 (5)

2.3单闭环调速系统的电流截止的分析 (6)

2.4单闭环调速系统电路原理图 (7)

3参数设计...................................... . (9)

3.1 整体分析 (9)

3.2 稳定性参数计算和判断 (9)

3.3 调节器的选择和结构 (10)

4 MATLAB仿真 (11)

5 电气总图 (12)

6 设计心得体会 (15)

参考文献 (16)

1绪论

1.1 系统概述

为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。

1.2技术数据

电枢额定电压220V 电枢额定电流136A

额定励磁电流If=1.5A 额定励磁电压Uf=220V

功率因0.85 整流器内阻Rrec=1.3Ω

电枢电阻0.21Ω平波电抗器电感lOOmH

电枢允许过载系数 1.5

额定转速l460 r/min

(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调

速范围(D>10)，系统在工作范围内能稳定工作

(2)根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈

环节的相关参数

(3)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续

1.3设计任务

(1)根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图

(2)根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图，分析转速调节器和电流截止负反馈的作用

(3)通过对调节器参数设计，利用MATLAB仿真得到转速和电流的仿真波形

2 带电流截止负反馈单闭环调速系统的工作原理

2.1 单闭环调速系统的组成与原理

将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用PI调节器，就既保证动态性能，又能做到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角a来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定，其系统结构框图与系统原理图如下图所示

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经放大后，得到移相控制电压UCL,用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后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。

2.2单闭环调速系统的静特性分析

系统两段静特性方程式：

(1) 当Id ≤Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性与转速负反馈相同

)1()1(*K Ce R K Ce KpKs n I U d n +-+=

(2) 当Id ≥Idcr 时引入电流负反馈静特性变为

)1()()1()

(*K Ce KpKsRs R K Ce KpKs n I U U d

com n ++-++=

静特性的几个特点：

（1） 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsPs ，因而稳态

速降极大，使特性急剧下垂。

（2） 比较电压Ucom 与给定电压Un*的作用一致。

（3） 两段静特性常被称作下垂特性。

（4） 最大截止电流应小于电机允许的最大电流。

2.3单闭环调速系统的电流截止的分析

1.电流截止负反馈的提出

（1） 起动的冲击电流,直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会

产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电子

器件来说，更是不能允许的。

（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流一采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，

反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的1+K

倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达

到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。

（3）堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如：由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于

闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过

允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会

给正常工作带来不便。

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。

2.电流截止负反馈的建立

通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

用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用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单的多但是不能平滑的调节截止电流。