运动控制系统课程设计论文
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图6转速环的动态结构图
1、选择ASR
由于要求抗干扰能力强，应按照典Ⅱ型系统设计，又由于设计要求无静差，ASR需含
积分环节。
ASR也采用PI调节器，
转速校正成典Ⅱ系统后动态结构图如图7：
图7校正后的转速环
2、确定时间常数
（1）电流环等效时间常数为 0.0074s
（2）转速滤波时间常数为取为 0.01s
近年来，交流调速系统发展很快，被科学技术水平较高的西方国家所广泛采用，与直流调速相比，交流调速有本身固有的优点：结构简单、坚固耐用、经济可靠及小动态相应性能好等，还能实现高速拖动，而且电源广泛。但由于直流拖动系统在理论上和时间上都比较成熟，具有良好的起、制动性能，从反馈闭环控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以我们应该很好的掌握直流拖动控制系统。
但是直流调速系统的设计是一个庞大的系统工程，。对于一个经过大量分析、计算、设计、安装等一系列工作的系统究竟能否一次性调试成功，这关系到已经投入的大量人力、财力、物力是否会浪费的问题。因此，一个直流调速系统在正式投入运行前，往往要进行仿真调试。
关键词：直流调速理论设计仿真调试
1
在直流双闭环调速系统设计中，在理论设计基础上根据实际系统运行情况作参数的调整是系统设计调试过程必不可少的一部分。原因在于系统的实际参数，往往与理论设计时所用的值有一定的误差，而且系统某些环节非线性因素影响会使系统在理论设计参数后并不能立即获得理想的调速性能，因此需要通过调试过程才能获得理想性能。传统的调试方法不仅增加系统的设计与调试强度而且不易产生预期结果。matlab/simulink仿真平台是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用这种仿真工具可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性。而且可以非常方便地完成调试过程且能十分直观地得到系统输出波形。利用matlab/simulink仿真工具有效地对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。本文利用matlab仿真工具对直流调速系统进行仿真分析，通过仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数，仿真结果可以用来指导实际系统的设计。
参
[1]班华 李长友.运动控制系统. 北京：电子工业出版社，2012.8；
[2]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计. 北京：机械工业出版社，2003.10；
[3]康华光.电子技术基础模拟部分.北京.高等教育出版社，2006.1。
3
因为要求静态精度很小，故两个调节器均选为PI调节器
按照参数设计如下：
静态计算：
根据调速范围和静差率的要求得到;
取测速反馈输出电压为10V,则转速反馈系数：
ASR饱和输出取10V，系统输出最大电流为 ，则电流反馈系数： ，取0.05
动态计算：
电流调节器（内环）
三相桥式整流电路平均失控时间： ，电流滤波时间常数： 。
2
2.1系统组成及要求
(1)静态精度(转差率Ｓ),在电网电压波动±10%，负载变化±20%，静态精度S〈5%，电流和转速超调量 ,振荡次数N<(2~3)，调速范围D〉10~15；
(2)电动机数据∶额定电流136A，额定电压230V，功率30KW，额定转速1460转/分，电势转速比 电枢电阻RΩ=0.5Ω,过载系数λ=1.5,可控硅整流装置KS=40. ， 。
， ； ， 。
其转速波形如图11所示。
图11调整后的转速仿真波形
从图11中可知：转速环超调量为8.7%，超调量符合要求。整个起动过程约为1.3秒，系统的快速性仍较好。
4
以上分析表明，利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。
(3)测速发电机，永磁式，额定数据为∶电压110V，电流0.045A，转速1900r/min，
2.2工作原理
单闭环系统不能动态地控制电流，根据本系统的设计要求，所用使用双闭环。双闭环能够较好抵抗电流的冲击，保持较好的转速。串联转速调节器和电流调节器可以较好获得所需转速。转速、电流双闭环调速系统的原理框图和动态框图如下所示
图1 转速、电流双闭环调速系统
图2双闭环调速系统动态图
其中，ASR为转速调节器环节；ACR为电流调节器环节； 为电力电子变换装置所表示的惯性环节； ， ， 为直流电机环节；为转速反馈系数；为电流反馈系数。
工作原理如下：电动机的转速由给定电压 决定，速度调节器ASR的输入偏差电压为 ，ASR的输出电压 作为电流调节器ACR的给定信号（其输出的限幅值 决定了电流调节器给定电压的最大值），电流调节器ACR的输入偏差信号为 ，ACR的输出电压 作为触发电路的控制电压（其输出的限幅值 决定了晶闸管整流输出电压的最大值）。改变控制电压 就能改变触发器控制角及整流输出电压 ，相应地也就改变了电动机的转速，达到调速的目的。
因此根据以上数据选取参数，
取：R0=40K,
取40K
取
取
则实际电路图如图4-8所示。其中：D1,D2,W1,W2构成限幅电路。
图5电路环原理图
转速调节器（外环）
在设计转速调节器时，可以把已设计好的电流环当作是转速调节系统中的一个环节，求出其等效传递函数，再用设计电流环相同的方法进行设计。
简化后的转速环动态结构图如下
图10额定转速空载时转速仿真波形
从图10中可知：转速超调量为40%，转速超调量过大，系统相对稳定性弱；
整个起动过程只需0.4秒，系统的快速性较好。
3.2 仿真调试分析
通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标，找出最佳参数为：
(3)Con=4Ton/R0=4×0.01/40=1μF.取1μF
实际原理图如图8所示：
图8转速调节器原理图
通过计算，最后得出图9所示动态框图。
图9直流电动机双闭环调速系统的动态结构图
3
3.1理论计算参数仿真分析
根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机转速的仿真输出波形，如图10。
（3）转速环小时间常数 s
3、选择调节器参数
根据性能指标选取h=5
(1)ASR的超前时间常数
(2)转速环开环增益
(3)ASR的比例系数为：
转速截止频率
4、计算调节器电阻和电路
取R0=20KΩ
(1) =KnR0=11.7×40=468,取70KΩ,
(2) =τn/ =0.087/470=0.185μF,取0.2μF,
控制系统综合课程设计
双闭环直流调速系统设计及仿真验证
刘艳婷200930460
叶莉萍200930460125
叶威铅200930460126
叶国炜200730460126
指导教师
邹恩
学院名称
工程学院
专业名称
自动化
论文提交日期
2012年12月28日
论文答辩日期
2012年12月28日
摘
直流调速系统是传统的调速系统，自１９世纪８０年代起至１９世纪末以前，工业上传动所用电动机一直以直流电动机为唯一方式。它具有稳速精度高、调速比大、响应时间短等特点，宜于在广泛范围内平滑调速，故广泛应用于轧钢、机床、轻工、计算机、飞机传动机构等领域。
此环设计为典Ⅰ系统，因此系统满足电流环要求超调量小的要求，其动态结构如下：
图3电流环动态结构图百度文库
其中电流环小时间常数：
由其动态结构图知，电流环控制对象是双惯性的，要求校正成典Ⅰ型系统，采用PI调节器。
PI调节器传函： ，则电流环校正成图4
图4 校正后的电流环
ACR时间常数：
又因 ，取
ACR的比例系数为：
1、选择ASR
由于要求抗干扰能力强，应按照典Ⅱ型系统设计，又由于设计要求无静差，ASR需含
积分环节。
ASR也采用PI调节器，
转速校正成典Ⅱ系统后动态结构图如图7：
图7校正后的转速环
2、确定时间常数
（1）电流环等效时间常数为 0.0074s
（2）转速滤波时间常数为取为 0.01s
近年来，交流调速系统发展很快，被科学技术水平较高的西方国家所广泛采用，与直流调速相比，交流调速有本身固有的优点：结构简单、坚固耐用、经济可靠及小动态相应性能好等，还能实现高速拖动，而且电源广泛。但由于直流拖动系统在理论上和时间上都比较成熟，具有良好的起、制动性能，从反馈闭环控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以我们应该很好的掌握直流拖动控制系统。
但是直流调速系统的设计是一个庞大的系统工程，。对于一个经过大量分析、计算、设计、安装等一系列工作的系统究竟能否一次性调试成功，这关系到已经投入的大量人力、财力、物力是否会浪费的问题。因此，一个直流调速系统在正式投入运行前，往往要进行仿真调试。
关键词：直流调速理论设计仿真调试
1
在直流双闭环调速系统设计中，在理论设计基础上根据实际系统运行情况作参数的调整是系统设计调试过程必不可少的一部分。原因在于系统的实际参数，往往与理论设计时所用的值有一定的误差，而且系统某些环节非线性因素影响会使系统在理论设计参数后并不能立即获得理想的调速性能，因此需要通过调试过程才能获得理想性能。传统的调试方法不仅增加系统的设计与调试强度而且不易产生预期结果。matlab/simulink仿真平台是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用这种仿真工具可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性。而且可以非常方便地完成调试过程且能十分直观地得到系统输出波形。利用matlab/simulink仿真工具有效地对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。本文利用matlab仿真工具对直流调速系统进行仿真分析，通过仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数，仿真结果可以用来指导实际系统的设计。
参
[1]班华 李长友.运动控制系统. 北京：电子工业出版社，2012.8；
[2]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计. 北京：机械工业出版社，2003.10；
[3]康华光.电子技术基础模拟部分.北京.高等教育出版社，2006.1。
3
因为要求静态精度很小，故两个调节器均选为PI调节器
按照参数设计如下：
静态计算：
根据调速范围和静差率的要求得到;
取测速反馈输出电压为10V,则转速反馈系数：
ASR饱和输出取10V，系统输出最大电流为 ，则电流反馈系数： ，取0.05
动态计算：
电流调节器（内环）
三相桥式整流电路平均失控时间： ，电流滤波时间常数： 。
2
2.1系统组成及要求
(1)静态精度(转差率Ｓ),在电网电压波动±10%，负载变化±20%，静态精度S〈5%，电流和转速超调量 ,振荡次数N<(2~3)，调速范围D〉10~15；
(2)电动机数据∶额定电流136A，额定电压230V，功率30KW，额定转速1460转/分，电势转速比 电枢电阻RΩ=0.5Ω,过载系数λ=1.5,可控硅整流装置KS=40. ， 。
， ； ， 。
其转速波形如图11所示。
图11调整后的转速仿真波形
从图11中可知：转速环超调量为8.7%，超调量符合要求。整个起动过程约为1.3秒，系统的快速性仍较好。
4
以上分析表明，利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。
(3)测速发电机，永磁式，额定数据为∶电压110V，电流0.045A，转速1900r/min，
2.2工作原理
单闭环系统不能动态地控制电流，根据本系统的设计要求，所用使用双闭环。双闭环能够较好抵抗电流的冲击，保持较好的转速。串联转速调节器和电流调节器可以较好获得所需转速。转速、电流双闭环调速系统的原理框图和动态框图如下所示
图1 转速、电流双闭环调速系统
图2双闭环调速系统动态图
其中，ASR为转速调节器环节；ACR为电流调节器环节； 为电力电子变换装置所表示的惯性环节； ， ， 为直流电机环节；为转速反馈系数；为电流反馈系数。
工作原理如下：电动机的转速由给定电压 决定，速度调节器ASR的输入偏差电压为 ，ASR的输出电压 作为电流调节器ACR的给定信号（其输出的限幅值 决定了电流调节器给定电压的最大值），电流调节器ACR的输入偏差信号为 ，ACR的输出电压 作为触发电路的控制电压（其输出的限幅值 决定了晶闸管整流输出电压的最大值）。改变控制电压 就能改变触发器控制角及整流输出电压 ，相应地也就改变了电动机的转速，达到调速的目的。
因此根据以上数据选取参数，
取：R0=40K,
取40K
取
取
则实际电路图如图4-8所示。其中：D1,D2,W1,W2构成限幅电路。
图5电路环原理图
转速调节器（外环）
在设计转速调节器时，可以把已设计好的电流环当作是转速调节系统中的一个环节，求出其等效传递函数，再用设计电流环相同的方法进行设计。
简化后的转速环动态结构图如下
图10额定转速空载时转速仿真波形
从图10中可知：转速超调量为40%，转速超调量过大，系统相对稳定性弱；
整个起动过程只需0.4秒，系统的快速性较好。
3.2 仿真调试分析
通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标，找出最佳参数为：
(3)Con=4Ton/R0=4×0.01/40=1μF.取1μF
实际原理图如图8所示：
图8转速调节器原理图
通过计算，最后得出图9所示动态框图。
图9直流电动机双闭环调速系统的动态结构图
3
3.1理论计算参数仿真分析
根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机转速的仿真输出波形，如图10。
（3）转速环小时间常数 s
3、选择调节器参数
根据性能指标选取h=5
(1)ASR的超前时间常数
(2)转速环开环增益
(3)ASR的比例系数为：
转速截止频率
4、计算调节器电阻和电路
取R0=20KΩ
(1) =KnR0=11.7×40=468,取70KΩ,
(2) =τn/ =0.087/470=0.185μF,取0.2μF,
控制系统综合课程设计
双闭环直流调速系统设计及仿真验证
刘艳婷200930460
叶莉萍200930460125
叶威铅200930460126
叶国炜200730460126
指导教师
邹恩
学院名称
工程学院
专业名称
自动化
论文提交日期
2012年12月28日
论文答辩日期
2012年12月28日
摘
直流调速系统是传统的调速系统，自１９世纪８０年代起至１９世纪末以前，工业上传动所用电动机一直以直流电动机为唯一方式。它具有稳速精度高、调速比大、响应时间短等特点，宜于在广泛范围内平滑调速，故广泛应用于轧钢、机床、轻工、计算机、飞机传动机构等领域。
此环设计为典Ⅰ系统，因此系统满足电流环要求超调量小的要求，其动态结构如下：
图3电流环动态结构图百度文库
其中电流环小时间常数：
由其动态结构图知，电流环控制对象是双惯性的，要求校正成典Ⅰ型系统，采用PI调节器。
PI调节器传函： ，则电流环校正成图4
图4 校正后的电流环
ACR时间常数：
又因 ，取
ACR的比例系数为：